Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG bằng phương pháp DPC

Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG bằng phương pháp DPC Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG bằng phương pháp DPC Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG bằng phương pháp DPC luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Giới thiệu về năng lượng gió

2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm Gió gi p quay các cối xay bột, gi p các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm gi p đưa các con thuyền di chuyển

Theo những tài liệu cổ còn giữ lại, thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau Công Nguyên tại Ba Tư (lrac ngày nay) Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, chẳng hạn như mô hình cánh gió lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng

Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu tr c có các cánh đón gió quay theo phương ngang, ch ng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió, do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư

Hình 2.1 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau thế kỷ 13

Năm 1888, Charles F Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, 0hio, có đặc điểm là:

* Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m;

* Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh turbine với trục máy phát;

* Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/ph t;

* Công suất phát định mức là 12kW

Hình 2.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện năm 1988

Vào những năm 1980, tại thị trường California: Thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc thế kỷ 20, khi mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra Thời gian sau đó, California nổi lên như một địa điểm thu h t các dự án lắp đặt các máy phát điện sức gió của rất nhiều các nhà sản xuất Mỹ, Đan Mạch, Anh, Đức, Nhật Bản, Hà Lan Trong 6 năm, 15.000 máy phát điện sức gió đã được lắp đặt

Từ năm 1990 đến nay: Sau năm 1990, các nước như: Đức, Anh, Hà Lan, Tây Ban Nha, Thụy Điển nổi lên như là những thị trường đầy tiềm năng Sự phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió ở đây không phải xuất phát từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ mà từ những yêu cầu phải bảo vệ môi trường tại các nước đó Các chính phủ x c tiến việc tài trợ cho các dự án nghiên cứu năng lượng mới gồm cả năng lượng gió, cộng thêm sự phát triển của thị trường California trước đó đã tạo c hích mới Nhiều máy phát tiếp tục được áp đặt với dải công suất ngày càng lớn, lên đến hàng chục MW Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ ở mức 200kW nhưng đến năm 2003 đã lên đến 5MW Kéo theo công suất của một vườn phát điện sức gió tăng vọt, năm 2000 công suất chỉ vào khoảng vài chục MW nhưng đến năm 2003 đã lên đến vài trăm MW

2.1.2 Tài nguyên năng lượng gió ở Việt Nam

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa

Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam (Bảng 2) Như vậy, Ngân hàng Thế giới đã giúp cho Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “ tốt “ đến “ rất tốt “ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái Lan cũng chỉ là 0,2% (Bảng 2)

Hình 2.3 Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia 2001 (Màu vàng, đỏ có tốc độ gió trên

Bảng 2.1: Tiềm năng về năng lượng gió của Đông Nam Á (ở độ cao 65m)

Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn

200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhưng điều đó không ngăn cản việc ch ng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lượng gió ở Việt Nam Khi xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn, thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ Khi so sánh con số này với các nước láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lượng gió (Hình 2.3) Đây quả thật là một ưu đãi dành cho Việt Nam mà ch ng ta còn thờ ơ chưa nghĩ đến cách tận dụng

Hình 2.4 : Gió mạnh vào tháng 12 đến tháng 2 năm sau là sự bổ sung hữu ích cho các tháng thiếu nước của các thủy điện Nguồn: Wind Resource Atlas of Southeast Asia

2.1.3 Dự án đầu tư sản xuất điện từ năng lượng gió

Tiềm năng điện gió ở Việt Nam (ước tính là 110GW) và đang tích cực đầu tư vào lĩnh vực này Thị trường phong điện Việt Nam vì thế mà trở nên nhộn nhịp trong thời gian gần đây Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam REVN (do Viện năng lượng góp vốn và quản lý) Công ty được thành lập năm

2004, vốn điều lệ là 10 tỷ đồng, có lợi thế hơn hẳn các công ty trong nước khác là sở hữu đội ngũ chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng, các mối quan hệ trong nước, quốc tế sâu rộng Công ty đã đầu tư nhà máy phong điện đầu tiên ở tỉnh Bình Thuận với công suất 120MW

Hình 2.5 Các tổ máy 1.5MW đầu tiên của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận

Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng-Thương mại-Du lịch Công Lý (Cà Mau) làm chủ đầu tư, được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc ấp Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu Dự án được xây dựng trên diện tích 500 ha, công suất thiết kế 99 MW, điện năng sản xuất 310 triệu KWh/năm, vốn đầu tư 4.500 tỷ đồng (Một số nhà phân tích cho rằng đầu tư dự án điện gió, doanh nghiệp sẽ có lợi ích kép nhờ vào Du lịch và Địa ốc, do diện tích triển khai rộng, vị trí địa lý thuận lợi và cảnh quan đẹp)

Công ty CP Năng lượng Thương Tín (51% cổ phần sở hữu bởi Công ty CP Địa ốc Sài Gòn Thương Tín) thì đang đầu tư Nhà máy điện gió Phước Dân với công suất 50MW – tại các xã Phước Hậu, Phước Thái, Phước Hữu và thị trấn Phước Dân

(huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận) Dự án được xây dựng trên diện tích 965 ha, có tổng vốn đầu tư 1.290 tỷ đồng

Công ty Phong điện Thuận Bình, doanh nghiệp từng tham gia dự án phong điện ở Tuy Phong (Bình Thuận), cho biết, Công ty đang thực hiện dự án phong điện ở Lợi Hải (huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận) có công suất 50-70 MW, vốn đầu tư từ 100-140 triệu USD Lãnh đạo công ty cho biết “Để dự án này có lợi nhuận, doanh nghiệp phải bán được 7cent USD/kWh”

Đóng góp của tác giả

Trong các năm qua điều khiển DFIG_DPC đã được thực hiện nhiều ở các luận văn thạc sỹ như: Võ Xuân Hải năm 2009 “Điều khiển định hướng từ thông máy điện gió không đồng bộ nguồn kép_Nghiên cứu điều khiển tốc độ và công suất của DFIG”, Tôn Long Đại năm 2011 “Điều khiển DFIG_Nghiên cứu điều khiển tốc độ và công suất của DFIG_DPC”

Tuy nhiên việc xem xét trong môi trường gió ổn định và chưa đánh giá cụ thể trong môi trường gió thay đổi lớn Vì vậy luận này được thực hiện nhẳm khắc phục các hạn chế nêu trên của các luận văn trước.

HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ

Giới thiệu

Máy phát điện và bộ biến đổi công suất là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng gió Một số loại máy phát điện thường được sử dụng trong hệ thống tuabin gió trước đây là: máy điện cảm ứng rotor lồng sóc, rotor dây quấn, máy điện không đồng bộ với bộ kích từ Các loại máy phát điện này phù hợp cho giải pháp kết nối trực tiếp với lưới điện và làm việc với tốc độ không đổi Với sự phát triển không ngừng của kĩ thuật điều khiển, các loại máy phát sử dụng trong hệ thống năng lượng gió hiện đại ngày càng đa dạng hơn Mục tiêu của chương này là tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống năng lượng gió và các kiểu mô hình hệ thống tương ứng với các dạng máy phát điện này.

Cấu tạo của hệ thống phát điện gió

Một hệ thống phát điện gió gồm có nhiều phần hoạt động song song với nhau Cấu tạo có thể khác biệt tùy theo quy mô lớn nhỏ, tối thiểu phải có các bộ phận sau:

 Tuabin gió có 2 hay 3 cánh quạt

 Bộ phận điều hướng đón gió

 Cơ cấu truyền động cơ khí

 Bộ phận điều khiển và các cảm biến tốc độ Trong hệ thống hiện đại, người ta thêm vào các phần sau:

 Bộ phận điều khiển với sử hỗ trợ của máy tính

 Bình trữ điện để đáp ứng cho tải trong trường hợp làm việc độc lập

 Đường truyền kết nối với mạng lưới khu vực

Vì rotor có moment quán tính lớn, đã tạo ra những thách thức lớn trong vấn đề thiết kế liên quan đến quá trình khởi động, điều khiển tốc độ trong vận hành, cũng như dừng tuabin khi cần thiết Phải dùng đến dòng điện xoáy hay phanh hãm

12 để dừng tuabin khi khẩn cấp, l c bảo dưỡng định kỳ Thông thường mỗi tuabin có hệ thống điều khiển riêng và được đặt ở một khoảng cách an toàn

Hình 3.1 Chi tiết buồng chứa của hệ thống phát điện gió

Tháp đỡ dùng để nâng tuabin và buồng chứa các hệ thống truyền động cơ khí, máy phát điện, bộ phận điều hướng…Chiều cao của tháp phải cao hơn đường kính của cánh quạt rotor Trước đây, chiều cao của tháp từ 20m đến 50m Vấn đề chính trong thiết kế là cấu tr c động lực học Cần tránh mọi tần số cộng hưởng của tháp, rotor và buồng chứa; sự rung động- kết quả của chu kỳ mỏi dưới sự tác động của dao động tốc độ gió Bên cạnh vấn đề nghiên cứu để phát triển chiều cao của tháp, người ta còn ch trọng đến việc khai thác các khía cạnh lắp đặt hệ thống ở ngoài khơi

Cánh tuabin được làm từ gỗ nén, sợi thủy tinh hay các vòng oxy ghép lại Ngày nay, một tuabin gió hiện đại thường có 2 hoặc 3 cánh quạt Khó khăn về cơ khí luôn song hành trong thiết kế vì những lực ly tâm và lý thuyết mỏi dưới sự rung động liên tục Ngoài ra giới hạn cơ khí tối thiểu để chống chọi với những cơn gió lớn đi kèm với việc điều khiển để bảo vệ những cánh quạt, máy phát khi làm việc quá tải hay quá nhiệt Vấn đề quan trọng trong thiết kế là đạt hệ số công suất cực đại, cánh quạt to hay nhỏ sẽ đem lại sự khác biệt lớn trong tiếp nhận và chuyển đổi năng lượng cơ Cả mối quan hệ về trọng lượng với tháp đỡ, chiều dài cánh quạt với chiều cao của tháp cũng phải quan tâm Mặt khác, tương ứng với công suất nhận được thì giá thành trong lắp đặt sẽ phải tính toán để đạt mức tối ưu

Bộ phận điều hướng điều chỉnh hướng rotor liên tục theo chiều gió Nó có thể đơn giản là cánh quạt đuôi, hay phức tạp hơn trên những tháp hiện đại Sự trượt theo mệnh lệnh có sự giám sát giải thuật điều khiển thích hợp Những cánh quạt quay với moment lớn ở trên cao trong thời gian chuyển hướng thường dẫn đến tiếng ồn Sự trượt quá nhanh có thể sinh ra tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép, cho nên phải được kiểm soát liên tục

3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ

Trong 25 năm qua, công nghệ tuabin gió đã thay đổi một cách đáng kể Những tuabin lớn ngày nay được lắp đặt đều hướng đến điều khiển tốc độ dựa trên sự kết hợp điều khiển cơ khí và điện tử công suất tự động Những máy nhỏ thì điều khiển đơn giản bằng tay, chi phí năng lượng thấp Các phương pháp điều khiển tốc độ rơi vào những loại sau:

 Không điều khiển: trong trường hợp này tuabin và máy điện được thiết kế để s n sàng chống chọi mọi cơn gió lớn

 Điều khiển nghiêng, lệch hướng: trục rotor được điều khiển lệch hướng gió khi tốc độ gió vượt ra khỏi giới hạn cho phép khi thiết kế

 Điều khiển xoay cánh quạt: thay đổi góc của cánh quạt trên trục tuabin tương ứng với sự thay đổi tốc độ gió

 Lẫn tránh cơn gió: trong phương pháp này, khi tốc độ gió vượt ra khỏi tốc độ cho phép, những cánh quạt được di chuyển vào vị trí an toàn

Hình 3.2 Thống kê các Phương pháp điều khiển tốc độ trong tuabin vừa và nhỏ

Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió

3.3.1 Máy phát điện đồng bộ

Như ch ng ta đã biết, tốc độ quay của máy phát điện đồng bộ được xác định theo số cực từ và tần số của lưới điện Vì vậy, các cánh quạt tuabin và máy phát phải được nối với nhau thông qua hộp truyền động cơ khí để có thể quay với tốc độ đồng bộ

Hệ thống năng lượng gió sử dụng máy phát đồng bộ có ưu điểm: khi kết nối với lưới điện, hệ thống này không yêu cầu cung cấp công suất phản kháng Vì vậy chất lượng điện năng phát ra tốt hơn

Tuy nhiên đối với máy phát đồng bộ, cần phải cung cấp điện một chiều cho mạch kích từ Việc cung cấp dòng điện một chiều này sinh ra ba vấn đề bất lợi cho hệ thống:

 Cần phải trang bị bộ biến đổi AC/DC để lấy dòng điện xoay chiều từ lưới điện đưa qua mạch chỉnh lưu cung cấp dòng điện một chiều cho mạch kích từ

 Sử dụng vành trượt trên rotor của máy phát để có thể đưa dòng điện một chiều từ mạch kích từ vào rotor, do đó công việc bảo dưỡng rất phức tạp

 Do máy phát điện làm việc với tốc độ đồng bộ, dẫn đến không phù hợp cho hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ thay đổi theo tốc độ gió

Hình 3.3 Hệ thống tuabin gió cơ bản sử dụng máy đồng bộ

3.3.2 Máy phát điện cảm ứng

Hầu hết các máy phát điện được dùng trong hệ thống tuabin gió là máy phát cảm ứng Có hai ứng dụng của máy điện cảm ứng trong hệ thống điện: sử dụng làm máy phát điện trong hệ thống tuabin gió, hoặc các động cơ bơm hay máy nén Máy điện cảm ứng nhận công suất phản kháng từ lưới điện Trong các hệ thống kết hợp nhiều dạng năng lượng khác nhau, công suất phản kháng được cung cấp từ các máy phát đồng bộ hay máy phát Diesel Trong hệ thống năng lượng gió, tụ điện cố định được dùng để bù công suất phản kháng cho máy phát điện cảm ứng

Hình 3.4 Máy phát cảm ứng tự kích từ

Trái ngược với máy phát đồng bộ, máy phát cảm ứng không quay với tốc độ cố định, vì vậy ch ng thường được mô tả như máy phát không đồng bộ Máy phát cảm ứng có thể làm việc như một động cơ hay một máy phát, tùy thuộc vào trục máy phát hay nhận năng lượng Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một động cơ trong quá trình khởi động và như máy phát khi nhận được tốc độ gió định mức Khi làm việc như một động cơ, rotor sẽ quay khá chậm so với tốc độ đồng bộ của từ trường, và động cơ cảm ứng sẽ nhận năng lượng để làm quay trục rotor Máy điện cảm ứng sẽ làm việc như một máy phát khi stator của ch ng được nối với một nguồn điện áp có tần số ổn định, và rotor được quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng

16 bộ bằng động cơ sơ cấp Vì vậy, độ trượt của máy phát có giá trị âm Chế độ làm việc như máy phát của máy điện cảm ứng được ứng dụng trong hệ thống năng lượng gió với stator được nối với lưới điện và rotor được quay bởi tuabin gió Ưu điểm của máy phát cảm ứng là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên

Hình 3.5 Mạch tương đương của máy điện cảm ứng kết nối với lưới điện

Có hai loại máy phát điện cảm ứng: rotor lồng sóc và rotor dây quấn Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn thực hiện điều khiển đơn giản hơn máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc Tốc độ rotor và đặc tính cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở rotor

3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

Máy điện cảm ứng rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator – SCIG) là một máy điện rất phổ biến do có cấu tr c đơn giản Dây quấn stator được nối với phụ tải hay nguồn kích từ Rotor lồng sóc được cách điện và có điện trở lớn nhằm tránh cho rotor bị rung động Đối với tình trạng lưới điện không ổn định, có thể gây ra các sự cố quá nhiệt, moment dao động trên máy phát

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống với máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

3.3.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Đối với máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn, các bộ dây quấn rotor có thể được nối với vành trượt và chổi theo phương pháp cổ điển, hoặc thông qua bộ biến đổi công suất Hệ thống năng lượng gió trang bị máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn cùng với các bộ biến đổi công suất, việc điều khiển ngõ ra dễ hơn hệ thống dùng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc Công suất phần ứng trên stator được điều khiển bởi lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi công suất Tuy nhiên, chi phí máy phát cảm ứng rotor dây quấn cao hơn máy phát rotor lồng sóc

3.3.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) Đối với hệ thống năng lượng gió làm việc với tốc độ gió thay đổi trong một khoảng giá trị giới hạn (30% tốc độ đồng bộ), việc sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép được xem là giải pháp tốt nhất hiện nay Bộ biến đổi điện tử công suất chỉ điều chỉnh 20 30% tổng công suất, do đó tổn hao và chi phí của các bộ biến đổi công suất có thể giảm Cấu tr c máy phát điện DFIG tương tự máy phát điện cảm ứng dây quấn Mạch stator của máy phát DFIG được nối trực tiếp với lưới trong khi mạch rotor được nối với bộ biến đổi công suất thông qua các vành trượt như hình 3.7

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của máy phát DFIG

Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là máy phát điện mà cực stator và rotor có thể phát công suất Khi máy điện làm việc như máy phát, hướng công suất trong máy thể hiện như hình bên dưới, ở đó công suất vào là công suất cơ nhận từ turbin gió

Công suất truyền đến lưới là tổng công suất stator P s và rotor P r

Hình 3.8 Hướng công suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ w o

Máy phát có thể vận hành dưới tốc độ đồng bộ: P r < 0, P s > 0 hoặc vận hành trên tốc độ đồng bộ: P r > 0, P s > 0

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi DFIG bao gồm các mục tiêu:

 Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát điện và lưới điện

 Điều khiển tối ưu các điểm vận hành của tuabin nhằm cực đại công suất thực nhận được từ gió

3.4 Các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Mục này mô tả các thành phần chính và các đặc tính của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Với mục đích điều khiển định hướng, hệ thống năng lượng gió có thể được tổ chức theo bốn khối chức năng: khối khí động học, cơ học, điện và khối điều khiển độ dốc của tuabin

Hình 3.9 Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống năng lượng gió.[15]

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP –DFIG

Giới thiệu

Đối với máy điện xoay chiều, những hệ thống điều khiển vận tốc (điều khiển U/f không đổi, điều khiển tần số trượt của motor, điều khiển biến áp) không có khả năng tạo sự điều khiển độc lập giữa từ thông và moment lực như trong điều khiển động cơ điện một chiều Do đó ý tưởng về “định hướng từ” hay còn gọi là điều khiển vector được phát minh nhằm biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều trên phương diện điều khiển Điều đó cũng có nghĩa là điều khiển vector cho phép điều khiển từ thông và moment lực hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng điện Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng cực nhanh và chính xác của cả từ thông lẫn moment lực trong quá trình quá độ, tương đương những phản ứng ở máy điện một chiều Vì vậy điều khiển định hướng từ đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm qua trong nhiều loại hệ truyền động của động cơ đồng bộ và không đồng bộ

Chương này trình bày mô hình động của đối tượng DFIG, thích hợp cho việc phân tích các đặc tính của máy điện xoay chiều ba pha ở chế độ xác lập lẫn quá độ

Mô hình toán học DFIG được xây dựng trong cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu: hệ trục tọa độ tĩnh stator (hệ trục ) và hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng bộ

(hệ trục dq) Hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục  được dùng để xây dựng sơ đồ mô phỏng, còn hệ phương trình mô tả DFIG trong hệ trục dq làm xuất phát điểm để tìm và xây dựng giải thuật điều khiển

Qui ước dấu động cơ được sử dụng trong luận văn này: Dòng điện có giá trị dương khi nhận công suất từ lưới và ngược lại có giá trị âm trong trường hợp phát công suất lên lưới

4.2 Vector không gian và các phép biến đổi Ý tưởng đằng sau vector không gian là mô phỏng máy điện theo hai pha thay vì ba pha để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ phương trình mô tả, thuận tiện cho việc xây dựng mô hình toán cho các bộ điều khiển

Hình 4.1 Nguyên lý vector không gian

Cho đại lượng ba pha: n a , n b , n c Phép biến đổi từ các đại lượng pha sang đại lượng vector không gian n s được định nghĩa theo hệ thực: n s = k(n a + an b + a 2 n c ) (4.1)

 Đại lượng ba na,b,c có thể là dòng điện, điện áp hoặc từ thông của máy điện xoay chiều: i s = k( i a + a i b + a 2 i c ) u s = k( u a + a u b + a 2 u c ) (4.2)

 k là hệ số tỷ lệ của vector không gian [8]

3, ta có phép biến đổi giữ nguyên biên độ

- k = 1, phép biến đổi có biên độ lớn hơn 1.5 lần

3 , phép biến đổi bảo toàn công suất

Như vậy, nếu đại lượng xoay chiều ba pha cân bằng và có dạng sin thì vector không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc tương ứng với tần số của

26 nguồn cung cấp Trong trường hợp khác, vector không gian có biên độ và vận tốc quay thay đổi phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng pha

Một cách tổng quát, vector không gian có thể được biểu diễn theo hệ thức: n s = n  s + jn  s = N m e j    t   (4.3) Trong đó: θ [rad] là góc dịch pha w[rad/s] là vận tốc góc của vector quay

Vector không gian cũng có thể qui đổi về hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh (gắn với stator của máy điện không đồng bộ) và hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq

(quay với tốc độ đồng bộ): n s = n   jn  = n d  jn q

4.3 Biểu diễn công suất theo vector không gian

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:

Công suất tác dụng bằng phần thực của vector điện áp nhân cho lượng liên hợp phức của vector dòng điện Tương tự công suất phản kháng được tính bởi hệ thức:

Ta có thể chứng minh các hệ thức này, sử dụng (4.3)ta có:

Mặt khác triển khai (4.2) theo các thành phần trục thực và trục ảo, ta có:

 2 k , ta thu được phép biến đổi bảo toàn công suất [8]

4.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và 

Bằng cách triển khai các vector không gian theo thành phần trục thực và trục ảo, ta có phép biến đổi đại lượng ba pha abc sang đại lượng  gắn với hệ trục tọa dộ tĩnh stator Trong đó trục  trùng với trục dây quấn a, còn trục vuông góc và sớm pha so với trục  như hình 4.2

Hình 4.2 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc,.Phép biến đổi các đại lượng từ trục abc sang :[8]

Phép biến đổi giữa các đại lượng abc và dq:

Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq [8] d q v v

Mối liên hệ giữa vector trong hệ trục tọa độ tĩnh  và hệ trục tọa độ dq đang quay với tốc độ đồng bộ được cho bởi hệ thức: cos sin sin cos d s s q s s n n n n

Và cos sin sin cos s s d s s q n n n n

Hình 4.4: Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq 4.5 Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG

Các giả thiết khi xét máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn:

 Các cuộn dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, dây quấn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình Y – Y

 Khe hở không khí đồng nhất

 Bỏ qua các tốn hao dòng rò và tổn hao sắt từ

 Không xét đến hiện tượng bão hòa vật liệu từ

 Hiện tượng móc vòng từ thông chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

 Hệ phương trình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lượng dòng, áp và từ thông Moment hài chưa được quan tâm

Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

 sc sb sa sc sb sa dt d i i i

 rc rb ra rc rb ra dt d i i i

Ta có phương trình điện áp stator và rotor theo ký hiệu vector không gian: dt i d R u s s s s s s s

Hình 4.6: Sơ đồ tương đương RL của Stator và Rotor

Vector từ thông được biểu diễn theo vector dòng điện:

Trong đó: L m – điện cảm từ hóa [H]

Ls – điện cảm dây quấn stator, Ls = Lls + Lm

L r – điện cảm dây quấn rotor đã quy về phía stator, L r = L lr +

Lls, Llr lần lượt là điện cảm tản dây quấn stator và rotor

4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh 

Việc chuyển từ hệ trục tọa độ abc sang αβ làm cho việc điều khiển được dễ dàng hơn (thay vì điều khiển 3 pha với nhiều tham số thì ta chỉ điều khiển 2 pha với ít tham số hơn)

Hình 4.7 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục 

Phương trình điện áp stator: dt i d R u dt i d R u s s s s s s s s s s s s s s

Phương trình điện áp rotor: dt i d R u dt i d R u s r s r r s r r s r s s r r r s r r s r

( 4.24) Tổng hợp các phương trình mô tả ở trên ta xây dựng được mô hình của máy phát DFIG trong hệ trục tọa độ 

4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq

Biểu diễn công suất theo vector không gian

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:

Công suất tác dụng bằng phần thực của vector điện áp nhân cho lượng liên hợp phức của vector dòng điện Tương tự công suất phản kháng được tính bởi hệ thức:

Ta có thể chứng minh các hệ thức này, sử dụng (4.3)ta có:

Mặt khác triển khai (4.2) theo các thành phần trục thực và trục ảo, ta có:

 2 k , ta thu được phép biến đổi bảo toàn công suất [8]

4.4 Mối liên hệ giữa các hệ trục abc, dq và 

Bằng cách triển khai các vector không gian theo thành phần trục thực và trục ảo, ta có phép biến đổi đại lượng ba pha abc sang đại lượng  gắn với hệ trục tọa dộ tĩnh stator Trong đó trục  trùng với trục dây quấn a, còn trục vuông góc và sớm pha so với trục  như hình 4.2

Hình 4.2 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc,.Phép biến đổi các đại lượng từ trục abc sang :[8]

Phép biến đổi giữa các đại lượng abc và dq:

Hình 4.3 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc và dq [8] d q v v

Mối liên hệ giữa vector trong hệ trục tọa độ tĩnh  và hệ trục tọa độ dq đang quay với tốc độ đồng bộ được cho bởi hệ thức: cos sin sin cos d s s q s s n n n n

Và cos sin sin cos s s d s s q n n n n

Hình 4.4: Mối liên hệ giữa trục tọa độ  và dq 4.5 Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG

Các giả thiết khi xét máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn:

 Các cuộn dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, dây quấn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình Y – Y

 Khe hở không khí đồng nhất

 Bỏ qua các tốn hao dòng rò và tổn hao sắt từ

 Không xét đến hiện tượng bão hòa vật liệu từ

 Hiện tượng móc vòng từ thông chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

 Hệ phương trình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lượng dòng, áp và từ thông Moment hài chưa được quan tâm

Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

 sc sb sa sc sb sa dt d i i i

 rc rb ra rc rb ra dt d i i i

Ta có phương trình điện áp stator và rotor theo ký hiệu vector không gian: dt i d R u s s s s s s s

Hình 4.6: Sơ đồ tương đương RL của Stator và Rotor

Vector từ thông được biểu diễn theo vector dòng điện:

Trong đó: L m – điện cảm từ hóa [H]

Ls – điện cảm dây quấn stator, Ls = Lls + Lm

L r – điện cảm dây quấn rotor đã quy về phía stator, L r = L lr +

Lls, Llr lần lượt là điện cảm tản dây quấn stator và rotor

4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh 

Việc chuyển từ hệ trục tọa độ abc sang αβ làm cho việc điều khiển được dễ dàng hơn (thay vì điều khiển 3 pha với nhiều tham số thì ta chỉ điều khiển 2 pha với ít tham số hơn)

Hình 4.7 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục 

Phương trình điện áp stator: dt i d R u dt i d R u s s s s s s s s s s s s s s

Phương trình điện áp rotor: dt i d R u dt i d R u s r s r r s r r s r s s r r r s r r s r

( 4.24) Tổng hợp các phương trình mô tả ở trên ta xây dựng được mô hình của máy phát DFIG trong hệ trục tọa độ 

4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq

Tương tự như trên, việc chuyển đổi sang hệ trục tọa độ dq sẽ làm cho việc điều khiển được dễ dàng hơn (các đại lượng đầu ra là có dạng DC) Từ các phương trình (4.18), (4.19), (4.20), ta xây dựng được sơ đồ mạch tương đương của DFIG trong hệ trục tọa độ dq như hình 3.8

Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq

Phương trình điện áp của stator: dt i d R u e ds e qs s e ds s e ds

 (4.25.1) dt i d R u e e qs ds s e qs s e qs

Phương trình điện áp của rotor:

  dt i d R u e e dr qr r s e dr r e dr

  dt i d R u e e qr dr r s e qr r e qr

 e qr e dr e qs e ds m lr m m lr m m m ls m m ls e qr e dr e qs e ds i i i i

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên stator:

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên trục rotor:

     ds e  e qr e qs e dr m e qr e dr e dr e qr e ds e qs e qs e ds e p i i p i i pL i i i i

Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG

Các giả thiết khi xét máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn:

 Các cuộn dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, dây quấn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình Y – Y

 Khe hở không khí đồng nhất

 Bỏ qua các tốn hao dòng rò và tổn hao sắt từ

 Không xét đến hiện tượng bão hòa vật liệu từ

 Hiện tượng móc vòng từ thông chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

 Hệ phương trình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lượng dòng, áp và từ thông Moment hài chưa được quan tâm

Hình 4.5 Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y

Xuất phát từ phương trình điện áp pha stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

 sc sb sa sc sb sa dt d i i i

 rc rb ra rc rb ra dt d i i i

Ta có phương trình điện áp stator và rotor theo ký hiệu vector không gian: dt i d R u s s s s s s s

Hình 4.6: Sơ đồ tương đương RL của Stator và Rotor

Vector từ thông được biểu diễn theo vector dòng điện:

Trong đó: L m – điện cảm từ hóa [H]

Ls – điện cảm dây quấn stator, Ls = Lls + Lm

L r – điện cảm dây quấn rotor đã quy về phía stator, L r = L lr +

Lls, Llr lần lượt là điện cảm tản dây quấn stator và rotor

4.5.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh 

Việc chuyển từ hệ trục tọa độ abc sang αβ làm cho việc điều khiển được dễ dàng hơn (thay vì điều khiển 3 pha với nhiều tham số thì ta chỉ điều khiển 2 pha với ít tham số hơn)

Hình 4.7 Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục 

Phương trình điện áp stator: dt i d R u dt i d R u s s s s s s s s s s s s s s

Phương trình điện áp rotor: dt i d R u dt i d R u s r s r r s r r s r s s r r r s r r s r

( 4.24) Tổng hợp các phương trình mô tả ở trên ta xây dựng được mô hình của máy phát DFIG trong hệ trục tọa độ 

4.5.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq

Tương tự như trên, việc chuyển đổi sang hệ trục tọa độ dq sẽ làm cho việc điều khiển được dễ dàng hơn (các đại lượng đầu ra là có dạng DC) Từ các phương trình (4.18), (4.19), (4.20), ta xây dựng được sơ đồ mạch tương đương của DFIG trong hệ trục tọa độ dq như hình 3.8

Hình 4.8 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq

Phương trình điện áp của stator: dt i d R u e ds e qs s e ds s e ds

 (4.25.1) dt i d R u e e qs ds s e qs s e qs

Phương trình điện áp của rotor:

  dt i d R u e e dr qr r s e dr r e dr

  dt i d R u e e qr dr r s e qr r e qr

 e qr e dr e qs e ds m lr m m lr m m m ls m m ls e qr e dr e qs e ds i i i i

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên stator:

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên trục rotor:

     ds e  e qr e qs e dr m e qr e dr e dr e qr e ds e qs e qs e ds e p i i p i i pL i i i i

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DFIG

Giới thiệu

Vấn đề quan trọng trong một hệ thống biến đổi năng lượng điện gió là điều khiển bộ chuyển đổi công suất (Converter) Việc điều khiển chính xác bộ converter sẽ làm cho quá trình điều khiển máy điện gió dễ dàng hơn

Bộ converter có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ AC – DC – AC, hoặc cũng có thể biến đổi trực tiếp từ AC – AC Vì không có tụ điện DC (do đó điện áp không ổn định) nên việc biến đổi trực tiếp từ AC – AC ít được sử dụng Trong luận văn này bộ biến đổi từ AC – DC – AC được lựa chọn để sử dụng cho mô phỏng trong Matlab Simulink

Phần gắn với lưới điện được gọi là “Grid Side” và phần gắn với máy phát gọi là “Rotor Side” Điểm ch ý trong chương này là việc xây dựng giải thuật điều khiển cho bộ chuyển đổi phía rotor (Rotor Side Converter – RSC)

Hình 5.1 Mô hình điều khiển DFIG

Điều khiển converter phía lưới (Grid Side Control – GSC)

Hình 5.2 Mô hình bộ converter cầu 3 pha phía lưới [19]

Từ mô hình của converter cầu 3 pha phía lưới, ta có được điện áp cân bằng qua cuộn lọc Rf, Lf:

. a a an ang f f a b b bn bng f f b c c cn ang f f c u u u L di R i dt u u u L di R i dt u u u L di R i dt

Hệ thống phía DC có phương trình:

Khi chuyển các phương trình điện áp sang hệ quy chiếu dq ta được:

Công suất AC và công suất DC là như nhau nếu bỏ qua điện trở máy phát, hài đóng cắt, điện áp lưới và bỏ qua tổn thất trên converter Do đó: P AC  P DC

Chọn hệ quy chiếu quay với vận tốc đồng bộ, trục dq định hướng theo vector điện áp lưới: uds = us; uqs =0

Thay vào phương trình điện áp DC ta được:

Ta có thể kết luận rằng: điện áp UDC được giữ cố định nhờ điều khiển thành phần dòng điện i d phía lưới.

Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp trực tiếp mômen (DTC) 36 5.4 Điều khiển RSC theo định hướng vector điện áp (VOC)

Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) dựa trên tác động trực tiếp của các véctơ điện áp lên véctơ từ thông móc vòng stator, làm thay đổi trạng thái của vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới mô men điện từ của máy điện Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng mô men nhanh, linh hoạt

Mô hình trạng thái máy điện DFIG trên hệ tọa độ αβ Mục đích của việc mô hình hóa nhằm xây dựng các thuật toán điều chỉnh Phương trình điện áp stator viết trên hệ thống cuộn dây stator:

Rs: Điện trở Stator; ψ s s: Từ thông stator

Phương trình điện áp rotor trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mạch:

Ls, L r: điện cảm phía stator, phía rotor

L σs , L σr : điện cảm tản phía stator, phía rotor

J: Mômen quán tính ω: Tốc độ góc cơ học của rotor

Hình 5.3 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) máy điện DFIG

Mômen điện từ trong máy điện DFIG có thể được biểu diễn như sau:

Trong đó: ψ s : từ thông stator i s : dòng điện stator zP : số đôi cực từ

38 Phương trình trên có thể được biến đổi và biểu diễn như sau: và

Trong đó ρs góc từ thông stator α s góc của dòng điện stator

Nếu độ lớn của từ thông stator được giữ không đổi và góc được thay đổi nhanh thì mômen điện từ được điều khiển một cách trực tiếp

Vì hằng số thời gian rotor là lớn hơn hằng số thời gian stator, từ thông rotor thay đổi chậm hơn so với từ thông stator, thực tế từ thông rotor có thể được coi như là không đổi Chỉ cần độ lớn của từ thông stator được giữ không đổi, sau đó mômen điện từ có thể được thay đổi và điều khiển nhanh chóng bằng việc thay đổi góc ρ s - ρ r

Nếu sụt áp trên điện trở được bỏ qua cho đơn giản, thì điện áp stator tác động trực tiếp tới từ thông stator theo đ ng phương trình sau:

(5.13) Điều khiển mômen và độ lớn từ thông stator có thể thực hiện bằng cách tác động trên thành tiếp tuyến và hướng tâm tương ứng của véc tơ không gian độ liên kết từ thông stator trong quỹ đạo của nó Hai thành phần đó tỉ lệ trực tiếp với các thành phần của cùng véc tơ không gian điện áp trong cùng hướng

Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) là phương pháp nền tản trong điều khiển trực tiếp máy điện Vì là phương pháp điều khiển trực tiếp nên các thông số điều khiển sẽ chính xác, các thông số điều khiển được tính toán dựa trên điều khiển vectơ không gian nên các tính toán đơn giản và dễ dàng lập trình khi điều khiển Tuy nhiên, thông số điều khiển là mômen nên tiến hành đo lường, chọn đại lượng đầu vào phức tạp Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) là phương pháp khắc phục khuyết điểm DTC

5.4 Điều khiển RSC theo định hướng vector điện áp (VOC) Đặc điểm của phương pháp điều khiển này là dựa vào dòng điện để xử lý tín hiệu trên hai hệ trục tọa độ mà bao gồm hệ trục tọa độ cố định α-β và hệ trục tọa độ quay d-q Các giá trị dòng điện đo được trong hệ trục tọa độ tĩnh ba pha được biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định α-β, sau đó được biến đổi sang hệ tọa độ d-q Cấu tr c điều khiển PWM theo VOC là như sau:

Hình 5.4 Sơ đồ điều khiển DFIG theo VOC

Khi chọn trục d trùng với trục điện áp của lưới và hệ trục d-q quay cùng với tần số của lưới là ω Do đó: U=U d và U q =0 , điều này cũng có nghĩa là trên sơ đồ điều khiển thành phần, Uq bị triệt tiêu

Phương pháp định hướng điện áp (VOC), là phương pháp điều khiển theo vec- tơ không gian, việc chuyển đổi trục và tính toán giảm các thiết bị đo lường đáng kể Mức độ chính xác trong điều khiển cao Xây dựng và điều khiển phức tạp hơn so với DPC và DTC.

Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp FOC

Điều khiển này đòi hỏi đo lường các đại lượng dòng, áp trên rotor và stator, và xác định vị trí rotor Từ thông stator được thiết lập bởi phương trình:

    (5.14) Ảnh hưởng của điện trở stator sẽ được giới hạn và có thể bỏ qua.

Hình 5.5: Sơ đồ khối điều khiển RSC [19]

Chọn hệ quy chiếu dq quay đồng bộ với từ thông và trục d định hướng theo từ thông stator, do đó:

Phương trình từ thông rotor trong định hướng từ thông stator:

2 m m dr ms r dr s s m qr r qr s

Phương trình từ thông stator có thể viết lại như sau:

0 ds s ds m dr m ms qs s qs m qr

Với các máy có công suất hàng kW trở lên, điện trở Rs nhỏ có thể bỏ qua

Do đó phương trình điện áp trên stator và rotor được viết lại như sau:

2 2 2 ds 0 qs s ds s m ms s m dr m dr r dr r slip r qr s s m qr m m qr r qr r slip ms r dr s s s u u L i V

Phương trình công suất stator trong định hướng từ thông stator:

2 2 2 m s ds ds qs qs qs qs s qr s m s s qs ds ds qs qs ds s dr s s m

Phương trình moment điện từ:

2 2 2 s m e ds qs qs ds ds qs qr s s

Nhận xét

Từ phương trình (5.11) và (5.12), ta thấy rằng moment và công suất tác dụng phụ thuộc vào dòng điện iqr, trong khi đó công suất phản kháng phụ thuộc vào dòng i dr

Vì vậy i dr và i qr là các đại lượng điều khiển công suất và moment Do đó ta có thể sử dụng thành phần dòng điện để điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng Điều khiển phía RSC trong DFIG được thực hiện nhiều trong thời gian qua Các phương pháp điều khiển đã được cải tiến nhiều, tuy nhiên vẫn dựa trên nền tảng các phương pháp chính như FOC, DPC, DTC, VOC… như đã trình bày trong chương 4 này Đặc biệt phương pháp DPC vượt chọi hơn các phương pháp khác về mặt điều khiển và độ chính xác trong điều khiển Đặc biệt điều khiển công suất tác dụng và phản kháng độc lập trong máy điện gió DFIG càng thể hiện rõ nét hơn Phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng độc lập trong máy điện gió DFIG được thực hiện chi tiết trong chương 6.

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SU T TÁC DỤNG VÀ CÔNG

Khái Quát

Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) có kết cấu phần cứng tương tự như phương pháp DTC, nó có điểm khác là nghiên cứu ảnh hưởng của từ thông stator và rotor tới công suất tác dụng và công suất phản kháng của stator DFIG phát lên lưới Các nghiên cứu gần đây cho thấy: công suất tác dụng tỷ lệ với thành phần từ thông rotor theo hướng vuông góc với từ thông stator, công suất phản kháng tỷ lệ với thành phần từ thông rotor theo hướng dọc trục với từ thông stator

Do đó, chọn đại lượng điều khiển là công suất tác dụng và công suất phản kháng trong điều khiển máy phát điện gió DFIG là việc làm thiết thực, giảm đáng kể các thiết bị đo lường khi tốc độ gió thay liên tục Ứng dụng phương pháp điều khiển DPC trong điều khiển độc lập công suất máy điện gió DFIG là trọng tâm của chương này.

Mô hình điều khiển DFIG bằng phương pháp DPC

6.2.1 Mô hình điều khiển DFIG_DPC

Trước khi đi vào tìm hiểu phương pháp điều khiển trực tiếp công suất cho máy phát điện không đồng bộ nguồn kép – DFIG, ta tìm hiểu điều khiển trực tiếp moment và từ thông (Direct Torque Control – DTC) của động cơ không đồng bộ

Hình 6.1 Điều khiển trực tiếp moment và từ thông của động cơ không đồng bộ [24]

Từ hình 6.1, ta thấy được điều khiển trực tiếp moment và từ thông là việc lựa chọn chính xác các vector điện áp (trực tiếp từ bảng đóng cắt đã xác định trước) đưa vào bộ nghịch lưu để điều khiển điện áp động cơ

Vấn đề được đặt ra là làm cách nào để lựa chọn chính xác vector điện áp? Để giải quyết vấn đề này, ta phải xác định được góc của từ thông stator nằm ở vị trí nào tại một thời điểm xác định, đồng thời phải biết được từ thông và moment tăng hay giảm

Hình 6.2 Vị trí của các sector khi từ thông stator quay quanh trục.

Hình 6.3 Các vector điện áp khi thay đổi từ thông và moment trong các sector [11; 24]

Bảng chọn lựa các vector điện áp khi thay đổi góc quay, từ thông và moment:

Bảng 6.1: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DTC [24]

  T e Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

DTC sử dụng độ sai lệch của từ thông và moment so với từ thông đặt và moment đặt để điều khiển trạng thái đóng cắt của bộ inverter Với phương pháp này thì việc tính toán trở nên đơn giản và không cần tất cả thông số của động cơ

Trong DPC, từ thông và moment được thay thế bởi công suất tác dụng và công suất phản kháng, vì vậy phương pháp này được gọi là điều khiển trực tiếp công suất

DPC sử dụng vị trí của vector từ thông stator để lựa chọn vector điện áp Việc lựa chọn chính xác vector điện áp quyết định đến độ lớn và góc của điện áp rotor.Từ thông stator được tính toán trong hệ trục tọa độ tĩnh của stator và sau đó được chuyển sang trục tọa độcủa rotor Từ đó xác định được vị trí của từ thông stator trên hệ trục tọa độcủa rotor

Phương pháp DPC được trình bày rõ ràng trong hình 6.4 dưới đây:

Hình 6.4a Sơ đồ tổng quát sử dụng DPC cho hệ thống DFIG.[24] Ảnh hưởng của vector zero cho bộ chuyển đổi phía rotor không xác định và được bỏ qua Vì vậy mặt phẳng vector được chia làm sáu sector (hình 6.4’)

Hình 6.4b: Vector điện áp và điều khiển từ thông sử dụng các vector điện áp

Sự lựa chọn các vector điện áp được trình bày trong bảng đóng cắt sau:

Bảng 6.2: Bảng lựa chọn vector điện áp trong DPC.[24]

Tóm lại khi công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi (tăng hoặc giảm so với giá trị đặt trước) vượt giới hạn delta (hysteresis) thì ngay lập tức chọn được vector điện áp tương ứng tác động lên điện áp rotor để đưa giá trị công suất về lại giá trị điều khiển

Trên cơ sở lý thuyết được trình bày thì:

 Điều khiển converter phía rotor theo phương pháp FOC đáp ứng được mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, thông qua việc điều khiển gián tiếp dòng điện

 DPC đáp ứng mục tiêu điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và công suất phản kháng

6.2.2 Mô phỏng DFIG_DPC trên matlap/Simulink

Trong phần này máy điện DFIG được mô phỏng trong điều kiện lý tưởng (vận tốc gió không thay đổi) Do đó vận tốc của rotor cũng không thay đổi và đạt gần bằng vận tốc đồng bộ (w o = 314 rad/s)

Hình 6.5 Mô hình mô phỏng máy điện gió DFIG_DPC [24]

Tương tự mô hình DFIG (SFOC), bộ converter bao gồm phần điều khiển phía lưới và phần điều khiển phía rotor Trong mô hình DFIG (DPC) thì phần điều khiển phía lưới không thay đổi, do đó mục tiêu điều khiển trực tiếp công suất tập trung vào phần điều khiển phía rotor

Hình 6.6 Mô hình mô phỏng Converter

Hình 6.7 Mô hình mô phỏng Rotor Side Converter

Tương tự như DTC, điều quan trọng trong phương pháp DPC là lựa chọn vị trí của vector và xác định vector nằm trong sector nào Khối mô phỏng dưới đây là thuật toán để chỉ chính xác vector tức thời nằm trong vùng sector định s n

Hình 6.8 Khối lựa chọn sector [24]

Kết quả

Các mô hình đều sử dụng thông số của máy phát DFIG 2.3MW và thông số đầu vào như phương án FOC và DPC

Bảng 6.3: Thông số máy phát gió DFIG 2.3MW

Inertia of Rotor J rot 4.17.10 6 (kg.m 2 )

Bảng 6.4: Thông số điều khiển đầu vào Thông số điều khiển Ký hiệu – đơn vị

Công suất tác dụng điều khiển P sref (MW) 1,5 2 Công sụất phản kháng điều khiển Q sref (MVAR) 1 0,8 Điện áp stator U s (V)

Vận tốc gió (m/s) Thay đổi từ 10-14

Vận tốc rotor n r (rpm) 1400 Điện áp DC-link V dc-link 1500

DIEN AP DC-LINK - DPC

Hình 6.10 Điện áp DC-link và điện áp DC-link điều khiển 1500V

Hình 6.12 Dòng Điện rotor khi P, Q thay đổi điều khiển

Hình 6.14 Dòng Điện stator khi P, Q thay đổi điều khiển

CONG SUAT TAC DUNG - DPC

Hình 6.15 Công suất tác dụng stator thực và điều khiển

CONG SUAT TAC DUNG - DPC

Hình 6.16 Công suất tác dụng stator thực và lệnh khi giá trị điều khiển thay đổi

CONG SUAT PHAN KHÁNG (DPC)

Hình 6.17 Công suất phản kháng stator thực và điều khiển

CONG SUAT PHAN KHÁNG (DPC)

Hình 6.18 Công suất phản kháng stator thực và lệnh khi giá trị điều khiển thay đổi

Nhận Xét

Kết quả trên hình 6.9 đến hình 6.20 ta có nhận xét như sau:

- Hình 6.11 đến hình 6.15 thể hiện dòng điện rotor và stator tương đối bằng phẳng

- Hình 6.16 đến hình 6.19 thể hiện công suất tác dụng và phản kháng Trong các hình này, cho thấy công suất tác dụng và công suất phản kháng bám tốt giá trị điều khiển, đáp ứng được yêu cầu đề đưa ra

- Hình 6.20 cho ta thấy giá trị mo-ment ổn định

- Vận tốc rotor, điện áp DC-link đáp ứng tốt (hình 6.9, 6.10).

So Sánh kết quả mô phỏng điều khiển DFIG FOC và DFIG_DPC

Các mô hình đều sử dụng thông số của máy phát DFIG 2.3MW và thông số đầu vào như nhau trong cả hai phương pháp FOC và DPC Các giá trị được so sánh cùng tại một thời điểm nhất định

Hình 6.21 Dòng điện stator trong hệ qui chiếu abc

 Dòng điện stator cả hai phương pháp điều rất tốt đáp ứng được yêu cầu

Hình 6.22 Dòng điện rotor trong hệ qui chiếu abc

Hình 6.22 ta thấy dòng điện rotor của FOC không được bằng phẳng hơn so với DPC do tác động của bộ điều khiển PI làm sai số và độ trễ nhiều hơn so với DPC Điều này có thể khắc phục khi sử dụng bộ điều khiển PI-Fuzzy và An-ti Wiup Tuy nhiên tại thời điểm giá trị điều khiển thay đổi (t0s) Dòng điện rotor

DPC bị tác động mạnh làm tần số tăng nhanh các va đập lên hệ thống cách quạt, hộp số lớn Đây là khuyết điểm lớn của DPC cần được khắc phục

Hình 6.23 thể hiện Vận tốc rotor cả hai phương pháp, về mặt tổng thể vận tốc rotor của DPC đẹp hơn, ổn định hơn so với DPC Tuy nhiên, tại thời điểm giá trị điều khiển thay đổi (t = 30s) vận tốc rotor của DPC thay đổi khá lớn, làm ảnh hưởng đến dòng điện rotor (hình 5.52) và làm tăng nhiệt ở các cuộc dây rotor làm mo-ment cơ không ổn định (hình 5.24)

Tương tự như hình 6.22 (dòng điện rotot); hình 6,23 (vận tốc rotor), hình 6.24 thể hiện mo-ment cơ của DFIG cả hai phương pháp Ở đây ta thấy mo-ment của DPC ổn định hơn so với FOC

-1.4 CONG SUAT TAC DUNG - FOC x 10 6

-2.2 -2.1 -2 -1.9 -1.8 -1.7 -1.6 -1.5 -1.4 CONG SUAT TAC DUNG - DPC x 10 6

Hình 6.25 Công suất tác dụng

Công suất tác dụng stator cả hai phương pháp đều đáp ứng được yêu cầu bài toán (điều khiển P, Q độc lập) Với DPC đáp ứng tốt hơn so với FOC do được điều khiển trực tiếp công suất nên mức độ sai số được giảm đi tối thiểu

CONG SUAT PHAN KHANG - FOC

-11 -10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 CONG SUAT PHAN KHANG - DPC x 10 5

Hình 6.26 Công suất phản kháng sator

Tương tự như công suất tác dụng, Công suất phản kháng stator cả hai phương pháp đều đáp ứng được yêu cầu bài toán (điều khiển P, Q độc lập) Với DPC đáp ứng tốt hơn so với FOC do được điều khiển trực tiếp công suất nên mức độ sai số được giảm đi tối thiểu

- Từ hình 6.21, Ta thấy dòng điện rotor khi điều khiển FOC sẽ dòng điện rotor bằng phẳng hơn

- Hình 6.24, T e FOC tốt hơn DPC

- Như ngược lại, khả năng đáp ứng của FOC chậm hơn, nhất là khi giá trị điều khiển Ps_ref và Qs_ref thay đổi mức độ đáp ứng chậm hơn so với DPC Hình 6.25; 6.26

- Kết quả trên hình 6.25; 6.26 cho thấy công suất tác dụng và công suất phản kháng bám tốt giá trị điều khiển

Kết Luận: So sánh kết quả giữa hai phương pháp FOC và DPC ta thấy kết quả mô phỏng của hệ thống sử dụng DPC tốt hơn, dao động trong khoảng nhỏ hơn và bám công suất điều khiển tốt hơn so với hệ thống sử dụng FOC Tuy nhiên, trong thực tế điều khiển trực tiếp công suất phụ thuộc nhiều các thiết bị đo lường cảm ứng chi phí cho các thiết bị này không nhỏ Ngược lại, với FOC các thông số được thực hiện gián tiếp nên các chi phí các thiết bị đo lường ít hơn Vì là gián tiếp, nên các phương án cải tiến được thực hiện dễ dàng hơn, tuy nhiên sai số tương đối lớn so với DPC

So sánh điều khiển P, Q độc lập khi tốc độ gió thay đổi lớn

Khi tốc độ gió thay đổi lớn, điều khiển P, Q độc lập của các phương pháp sẽ bị tác động lớn, ảnh hưởng trực tiếp các đại lượng điều khiển Ta xem xét tốc độ gió thay đổi khi sử dụng phương pháp điều khiển DPC với bốn tốc độ gió:

- Tốc độ gió cố định tại thời điểm 10 m/s (A)

- Tốc độ gió thay đổi lớn (±30%) từ 10-14 m/s (B)

- Tốc độ gió thay đổi nhanh và mức độ thay đổi lớn từ 8-15m/s (C)

Hình 6.28 Công suất tác dụng

Hình 6.29 Công suất tác dụng tại thời điểm 21-32 giây

Công suất tác dụng cả 3 trường hợp (A) gió cố định; (B) tốc độ gió thay đổi với biên độ lớn; (C) tốc độ gió thay đổi biên độ và với thời gian thay đổi nhanh Ta thấy, Công suất tác dụng cả 3 trường hợp điều đáp ứng về yêu cầu điều khiển, P độc lập Tuy nhiên, với (C) không đáp ứng tốt so với (A), (B) hình 6.29

Hình 6.30 Công suất phản kháng

Hình 6.31 Công suất phản kháng tại thời điểm 21-32 giây

Công suất phản kháng cả 3 trường hợp (A) gió cố định; (B) tốc độ gió thay đổi với biên độ lớn; (C) tốc độ gió thay đổi biên độ và với thời gian thay đổi nhanh

Ta thấy, Công suất phản kháng cả 3 trường hợp đều đáp ứng về yêu cầu điều khiển,

Tốc độ rotor chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tốc độ gió, nên khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ rotor cũng biến đổi theo Tuy nhiên với DPC, tốc độ rotor vẫn nằm trong phạm vi cho phép (±30%)

Dòng điện rotor và stator đáp ứng tốt khi điều khiển bằng DPC Tuy nhiên, dòng rotor bị biến động nhỏ do tốc độ gió làm ảnh hưởng đến tần số rotor, nêu trong trường hợp (C) Tần số rotor bị ảnh hưởng (hình 6.34)

Trong 3 trường hợp vừa xem xét trên Các đại lượng điều khiển vẫn đáp ứng tốt khi các điều kiện gió thay đổi Các đại lượng P, Q vẫn bám các đại lượng điều khiển Dòng điện, tốc độ rotor có thay đổi nhưng không làm ảnh hưởng nhiều đến các đại lượng điều khiển Điều này khẳng định thêm ưu điểm của phương pháp điều khiển P, Q độc lập bằng DPC trong máy điện gió DFIG.