Điều khiển giảm điện áp common mode cho bộ biến đổi phía rotor của máy phát không đồng bộ nguồn kép

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS TS HỒ PHẠM HUY ÁNH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS ĐINH HOÀNG BÁCH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch: TS HỒNG MINH TRÍ Thư ký: TS HUỲNH QUỐC VIỆT Phản biện 1: PGS TS HỒ PHẠM HUY ÁNH Phản biện 2: TS ĐINH HOÀNG BÁCH Ủy viên: PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG MSHV: 1770573 Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1990 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát tổng quan: hệ thống máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) ảnh hưởng điện áp common-mode Phân tích mơ hình động DFIG giải thuật điều khiển DFIG Phân tích điện áp common-mode đề xuất giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho mạch nghịch lưu Xây dựng mơ hình mơ MATLAB/Simulink cho hệ thống DFIG với biến đổi phía rotor (RSC) hoạt động chế độ nghịch lưu, áp dụng kỹ thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho RSC Thu thập số liệu mơ phỏng, phân tích, đánh giá, kết luận công bố khoa học III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ghi theo QĐ giao đề tài): 15/01/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (ghi theo QĐ giao đề tài): 02/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, trước tiên xin gửi lời cám ơn đến PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ (Trưởng phòng TN Hệ thống Năng lượng, Khoa ĐiệnĐiện tử), người hướng dẫn tận tình để tơi hồn thành luận văn Tiếp theo, xin gửi lời cám ơn đến Cha tôi, người hỗ trợ động viên vật chất lẫn tinh thần q trình tơi học tập trường ĐH Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Tôi xin gửi lời cám ơn đến thầy, bạn Phòng TN Hệ thống Năng lượng hỗ trợ tơi q trình học tập, nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 Học viên Lê Nguyễn Hồng Phong TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tiếng Việt: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sử dụng rộng rãi để điều khiển mạch nghịch lưu hệ thống truyền động điện xoay chiều, có hệ thống máy phát khơng đồng nguồn kép Quá trình điều khiển mạch nghịch lưu làm phát sinh điện áp common-mode Điện áp common-mode gây nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ thống truyền động điện như: làm tăng dòng điện rò máy điện, làm giảm tuổi thọ lớp cách điện cuộn dây quấn máy điện, làm xuất dòng điện ổ bi làm lão hóa phá hủy bề mặt hệ thống ổ bi máy điện Luận văn trình bày giải thuật điều khiển nhằm làm giảm điện áp common-mode biến đổi phía rotor hoạt động chế độ nghịch lưu hệ thống máy phát không đồng nguồn kép Giải thuật xây dựng dựa kỹ thuật sóng mang sử dụng hàm offset mô phần mềm MATLAB/Simulink R2016b Kết mô thể hiệu giải thuật đề xuất English: Pulse width modulation technique is used widely to control inverters in AC drive systems, including doubly-fed induction generator system When applying switching techniques for inverter, common-mode voltage is generated This voltage is known as an major factor which causes many problems in AC drive systems, such as: increasing leakage current of AC machines, increasing bearing currents which can damage bearing surfaces, etc This thesis presents a novel strategy for reducing common-mode voltage for level inverter based rotor side converter in a DFIG system The proposed technique is developed from the carrier-based PWM technique with offset function and verified by a simulation model built in MATLAB/Simulink R2016b The simulation results show the effectiveness of the proposed technique LỜI CAM ĐOAN Tôi cam kết tất kết đo trình bày luận văn thân thực lấy kết Nội dung luận văn thân tơi biên soạn có trích dẫn tài liệu tham khảo Tơi chịu trách nhiệm trước nhà trường pháp luật nội dung, số liệu kết luận văn ngụy tạo đạo văn người khác Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 Học viên Lê Nguyễn Hồng Phong MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH SÁCH KÝ HIỆU 10 DANH SÁCH TÊN VIẾT TẮT 13 DANH SÁCH HÌNH ẢNH 14 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 17 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 18 1.1 Điện tử cơng suất hệ thống điện gió 18 1.2 Hệ thống turbine gió DFIG 20 1.3 Một số nghiên cứu liên quan 24 1.4 Ý nghĩa đề tài nghiên cứu 25 1.5 Đối tượng nghiên cứu 25 1.6 Nội dung nghiên cứu 26 1.7 Phương pháp nghiên cứu 26 1.8 Bố cục luận văn 27 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DFIG 28 2.1 Các phép biến đổi hệ tọa độ 28 2.1.1 Phép biến đổi abc/dq 28 2.1.2 Phép biến đổi abc/αβ 32 2.2 Mơ hình toán học DFIG 32 2.2.1 Mơ hình vector không gian 33 2.2.2 Mơ hình hệ tọa độ dq 35 2.3 Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG 38 2.4 Sơ đồ điều khiển 40 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR 43 3.1 Phân tích điện áp common-mode 43 3.2 Điều khiển giảm CMV kỹ thuật RCMV 4S SVM 46 3.2 Điều khiển giảm CMV kỹ thuật RCMV CBPWM 48 3.3.1 Xác định hàm offset áp điều khiển 49 3.3.2 Thực kỹ thuật PWM sử dụng sóng mang 50 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 52 4.1 Sơ đồ mô 52 4.2 Thông số mô 53 4.2.1 Các khối phần công suất 53 4.2.1.1 Khối mô lưới điện 53 4.2.1.2 Khối mô DFIG 54 4.2.1.3 Khối mô RSC 55 4.2.1.4 Khối mô mạch DC-link 56 4.2.2 Các khối phần đo lường điều khiển 57 4.2.2.1 Khối chuyển đổi hệ tọa độ 57 4.2.2.2 Khối điều khiển RSC 59 4.3 Kết mô 60 4.3.1 Mô 1: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz 60 4.3.2 Mô 2: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = kHz 67 4.3.3 Mô 3: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz 73 4.3.4 Mô 4: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = kHz 79 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 5.1 Những kết đạt 85 5.2 Những hạn chế 85 5.3 Hướng phát triển tương lai 85 CÔNG BỐ KHOA HỌC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 105 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 108 10 DANH SÁCH KÝ HIỆU Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị Cdc Điện dung tụ điện DC-link fcr Tần số sóng mang Hz fg Tần số điện áp/dịng điện lưới Hz fsl Tần số điện áp/dòng điện rotor Hz fs Tần số điện áp/dòng điện trongstator Hz iag, ibg, icg Cường độ dòng điện lưới hệ tọa độ abc A iar, ibr, icr Cường độ dòng điện rotor hệ tọa độ abc A ias, ibs, ics Cường độ dòng điện stator hệ tọa độ abc A idg, iqg Cường độ dòng điện lưới hệ tọa độ dq A idm, iqm Cường độ dịng điện từ hóa hệ tọa độ dq A idr, iqr Cường độ dòng điện rotor hệ tọa độ dq A ids, iqs Cường độ dòng điện stator hệ tọa độ dq A F j Đơn vị ảo (j2 = – 1) J Mơ men qn tính Llr Điện cảm tản cuộn dây rotor H Lls Điện cảm tản cuộn dây stator H Lm Điện cảm từ hóa H Lr Điện cảm tự cảm cuộn dây rotor H Ls Điện cảm tự cảm cuộn dây stator H nm Tốc độ rotor DFIG p Toán tử đạo hàm (p = d/dt) P Số cặp cực DFIG Pg Công suất tác dụng truyền từ DFIG lên lưới W Pm Công suất đầu trục DFIG W Pr Công suất tác dụng rotor W Ps Công suất tác dụng stator W Công suất tác dụng tham chiếu stator W Psref Qs Qsref kg.m2 rpm Công suất phản kháng stator V.A.r Công suất phản kháng tham chiếu stator V.A.r Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hố VCCA-2017 H 16 Phân tích FFT cho dịng điện stator pha a (THDias): (a) Trong kỹ thuật SPWM truyền thống; (b) Trong kỹ thuật đề xuất (fsw = 10 kHz) So sánh kết Hình 16 Hình 14 thấy tượng giảm THD dịng điện stator diễn tương tự dòng điện rotor Đối với kỹ thuật SPWM, THDias giảm từ 2,43% xuống 0,84% Đối với kỹ thuật đề xuất, THDias giảm từ 8,75% xuống 2,22% (b) Kết luận [3] G Abad, J López, M Rodríguez, L Marroyo and G Iwanski (2011), Doubly Fed Induction Machine: Modeling and Control for Wind Energy Generation Applications, Wiley-IEEE Press, 1st Edition [4] J M Erdman, R J Kerkman, D W Schlegel and G L Skibinski (1996), Effect of PWM Inverters on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages, IEEE Transactions on Industry Applications, vol 32, no 2, pp 250-259 [5] J Zitzelsberger, W Hofmann, A Wiese and P Stupin (2005), Bearing Currents in Doubly-fed Induction Generators, European Conference on Power Electronics and Applications, Dresden, 2005, pp 1-9 [6] A M Garcia, D G Holmes and T A Lipo (2006), Reduction of Bearing Currents in Doubly Fed Induction Generators, Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, Tampa, FL, pp 84-89 [7] B Rueckert and W Hofmann (2008), Common Mode Voltage Minimized Direct Power Control of the Grid Side Connected Converter in Doubly Fed Induction Generators, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Ischia, Italy, pp 1455-1459 [8] B Rueckert and W Hofmann (2008), Simulation of CMV-minimized Direct Power Control for Doubly Fed Induction Generators, Wind Power to the Grid - EPE Wind Energy Chapter 1st Seminar, Delft, pp 1-6 [9] S K Hoseini, J Adabi and A Sheikholeslami (2014), Predictive Modulation Schemes to Reduce Common-mode Voltage in Three-phase Inverters-fed AC Drive Systems, IET Power Electronics, vol 7, no 4, pp 840-849 [10] S Kwak and S K Mun (2015), Model Predictive Control Methods to Reduce Common-Mode Voltage for Three-Phase Voltage Source Inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 30, no 9, pp 5019-5035 Bài báo giới thiệu giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho RSC hệ thống DFIG kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset Giải thuật đề xuất có ưu điểm đơn giản khối lượng tính tốn so với kỹ thuật SVM Kết mô Matlab/Simulink cho thấy hiệu giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset so với giải thuật SPWM truyền thống việc làm giảm biên độ dao động CMV từ ±Vdc/2 xuống ±Vdc/6 Tuy nhiên, so với giải thuật SPWM, giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset có nhược điểm làm tăng THD dịng điện rotor stator Ghi nhận Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.01-2015.53 Phụ lục Thông số DFIG dùng mô [3]: Công suất định mức Điện áp định mức stator Điện áp định mức rotor Tần số định mức stator Số cặp cực Điện trở stator Điện cảm tản stator Điện trở rotor (quy stator) Điện cảm tản rotor (quy stator) Điện cảm từ hóa Điện áp DC-link Cơng suất Điện áp Dòng điện 15 kW 380 V 380 V 50 Hz 0,023 pu 0,137 pu 0,025 pu 0,137 pu 2,12 pu 400 V 15 kVA 380 V 32 A Tài liệu tham khảo [1] [2] S Muller, M Deicke and R W De Doncker (2002), Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines, IEEE Industry Applications Magazine, vol 8, no 3, pp 26-33 B Wu, Y Lang, N Zargari and S Kouro (2011), Power Conversion and Control of Wind Energy Systems, Wiley-IEEE Press, 1st Edition Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá [11] K Tian, J Wang, B Wu, D Xu, Z Cheng and N R Zargari (2016), A Virtual Space Vector Modulation Technique for the Reduction of Common-Mode Voltages in both Magnitude and Third-Order Component, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 31, no 1, pp 839-848 [12] N Noroozi, M R Zolghadri and M Yaghoubi (2017), A Novel Modulation Method for Reducing Common Mode Voltage in Three-phase Inverters, IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering, Milan, Italy, pp 1-5 [13] Nguyễn Văn Nhờ, Phạm Thúy Ngọc (2016), Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang để giảm điện áp common-mode cho nghịch lưu pha, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử (VCM), Cần Thơ, Việt Nam Nguyễn Văn Nhờ sinh năm 1964 Ông nhận thạc sĩ tiến sĩ Điện-Điện tử trường ĐH Tây Bohemia, Cộng hòa Séc vào năm 1988 1991 Từ năm 1992, ông làm việc khoa Điện-Điện tử, trường ĐH Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, nơi ơng Phó Giáo sư Ơng làm nghiên cứu sau tiến sĩ tháng (2001) giáo sư thỉnh giảng năm (2003-2004) KAIST Lĩnh vực nghiên cứu ông mô điều khiển động cơ, lọc tích cực, kỹ thuật PWM cho biến đổi công suất Lê Nguyễn Hồng Phong sinh năm 1990 Anh nhận kỹ sư Điện trường ĐH Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh năm 2012 Hiện anh học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, trường ĐH Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Lĩnh vực nghiên cứu: máy phát không đồng nguồn kép, mạch nghịch lưu NPC bậc VCCA-2017 International Symposium on Computational Design and Engineering (ISCDE 2017) Control of Rotor Side Converter in Doubly-fed Induction Generator with Common-mode Voltage Reduction Strategy Hong-Phong Le-Nguyen and Nho-Van Nguyen Power Engineering Research Lab, Faculty of Electrical and Electronics Engineering, HCMC University of Technology hongphonglenguyen@gmail.com, nvnho@hcmut.edu.vn Abstract When applying switching techniques for pulse-width modulation (PWM) converters, the common-mode voltage (CMV) is generated In high power electric drive systems, CMV may affect to mechanical parts and cause failure to bearing system This paper presents a new control strategy for reducing CMV in the rotor side converter (RSC) of a doubly-fed induction generator (DFIG) system The algorithm is verified by a simulation model in Matlab/Simulink software KEYWORDS: Doubly-fed induction generator, 2-level voltage source converter, Common-mode voltage, Pulse width modulation INTRODUCTION DFIGs are used widely in wind turbine systems (WTS) [1] Fig presents a diagram of a typical DFIG based WTS A back-to-back (B2B) converter is used to deliver energy between the DFIG’s rotor and the grid The B2B converter is assembled from a pair of 2-level voltage source converters (VSC), with the common DC-link capacitor Fig shows the schematic of the RSC based on a 2-level VSC Gear box DFIG Transformer S1 S3 S5 Vdc/2 DC-link Wind Turbine a O b c Vdc/2 Rotor Side Converter S4 Grid Side Converter Fig Overall scheme of a DFIG based WTS S6 S2 Fig RSC based on level VSC When applying switching techniques on the level VSC, the CMV generated In DFIG system, CMV causes bearing current, which can damage bearing surface and increase the maintenance cost of electric drive system COMMON-MODE VOLTAGE REDUCTION STRATEGY CMV is described as equation (1): vcm vaO vbO vcO (1) In traditional space vector modulation (SVM) technique, the reference voltage vector Vref is described as equation (2): Vref T1 V1 Ts T2 V2 Ts T0 V0 Ts DV 1 D2V2 D0V0 (2) The proposed technique uses the carrier based pulse width modulation (CBPWM) to determine switching states of switches in the RSC This method is based on the 4-state SVM (4S SVM) technique presented at [2] In the 4S SVM, the reference vector Vref is described as equation (3) The diagram of traditional SVM and 4S SVM are shown in Fig International Symposium on Computational Design and Engineering (ISCDE 2017) Vref T1 V1 Ts T2 V2 Ts T3 V3 Ts β DV 1 D2V2 V3(0,1,0) V2(1,1,0) D2V2 vdkc V1(1,0,0) V7(1,1,1) α V0 D1V1 (0,0,0) vdka D3V3 V4(0,1,1) (3) vdkb D2V2 Vref V1(1,0,0) D4V6 V2(1,1,0) Vref V7(1,1,1) D3V3 β V3(0,1,0) V4(0,1,1) T4 V6 Ts α D1V1 V0 (0,0,0) D4V6 S1 1 1 S3 1 0 1 S5 0 0 +Vdc/6 V5(0,0,1) V6(1,0,1) (a) V5(0,0,1) V6(1,0,1) –Vdc/6 Ts (b) Fig Vector space modulation diagram: (a) In the tradition SVM technique, (b) In the 4S SVM technique Fig Switching states of proposed CBPWM technique SIMULATION AND RESUTLS Fig presents the simulation model built in Matlab/Simulink for both switching techniques: traditional SPWM technichque and proposed PWM technique DFIG parameters: nominal power Psnom = 250 (kW), nominal phase-to-phase voltage Vsnom = 380 (V), nominal frequency fsnom = 50 (Hz) The mechanical speed of DFIG is 1200 rpm (subsynchronous mode) The voltage at DC-link Vdc = 400 (V) RSC is controlled at switching frequency fsw = 2,5 (kHz) Simulation model is discreted at sampling cycle Ts = 1e-6 (s) Fig Simulation model in Matlab/Simulink The simulation results are shown in Fig (a) (b) Fig CMV waveform in: (a) Traditional sinusoidal technique, (b) Proposed RCMV PWM technique In Fig (a), the CMV’s magnitude is equal to a half of the DC-link voltage or Vdc/2 Fig (b) shows that when applying the proposed PWM technique, the CMV’s magnitude is reduced from Vdc/2 to Vdc/6 Those results verify the effectiveness of the proposal technique ACKNOWLEDGEMENT This work was supported by the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under project 03.01-2015.53 REFERENCES [1] S Muller, M Deicke, R W De Doncker Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines IEEE Industry Applications Magazine 2002; (3): 26-33 [2] Nguyen Van Nho and Pham Thuy Ngoc, Novel Pulse Width Modulation to Reduce Common-mode Voltage for Three Phase Voltae Source Inverter In: Vietnam Conference on Mechatronics (VCM), 2016 Nov 25-26, Can Tho, Vietnam A Novel Carrier Based PWM Technique with Common-mode Voltage Reduction for Rotor Side Converter in Doubly-fed Induction Generator Hong-Phong Le-Nguyen Faculty of Electrical and Electronics Engineering Ho Chi Minh City University of Technology Ho Chi Minh City, Vietnam hongphonglenguyen@gmail.com Nho-Van Nguyen Faculty of Electrical and Electronics Engineering Ho Chi Minh City University of Technology Ho Chi Minh City, Vietnam nvnho@hcmut.edu.vn Abstract—Common-mode voltage is known as an undesirable voltage generated when applying switching techniques for voltage source inverters (VSIs) In electric drive systems based on pulse-width modulation converters, common-mode voltage causes bearing current, which may destroy bearing surface and reduce the mechanical system longlife This paper presents a novel switching technique for a two-level VSI acts as the rotor side converter in a doubly-fed induction generator system A simulation model is built in MATLAB/Simulink to verify the proposed algorithm When applying switching techniques to control RSC, the common-mode voltage (CMV) is generated CMV causes bearing currents flow through parasitic capacitances between mechanical parts such as: rotor shaft, bearing system [2], [3] Bearing currents may reduce the life of mechanical system and increase maintenance cost Many studies in reducing CMV in DFIG system was introduced in [3]-[5] In 2006, A M Garcia et al [3] presented a novel space vector modulation which can eliminated CMV completely for both RSC and GSC in a 800 hp DFIG system In 2008, B Rueckert et al [4], [5] presented a CMV reduction stategy using direct power control technique for kW DFIG system with the capability in reducing CMV at RSC to one-third of DC-link voltage Keywords—doubly-fed induction generator (DFIG), back-toback (B2B) converter, voltage source inverter (VSI), pulse-width modulation (PWM), common-mode voltage (CMV) I INTRODUCTION II COMMON-MODE VOLTAGE REDUCTION STRATEGY Due to the advantages compared with other generator types, such as: low production cost, wide range of operating speed, part-scale power conveters requirement, ability to control active power and reactive power independently, etc, doubly-fed induction generators (DFIGs) are used widely in most wind turbine systems (WTSs) [1] Fig shows the overall scheme of a typical DFIG based WTS The DFIG’s stator windings are connected directly to the grid (or via a transformer if needed) The DFIG’s rotor windings are connected to the grid via a back-to-back (B2B) converter The B2B converter includes rotor side converter (RSC) and grid side converter (GSC) with the common capacitor(s), which called DC-link capacitor(s) Gearbox Wind Turbine DFIG A Common-mode Voltage Analysis Consider a two-level voltage source inverter (2L VSI) shown in Fig This VSI scheme has six IGBT switches, which labeled S1, S3, S5 (upper switches) and S4, S6, S2 (lower switches) Three outputs labelled a, b, c are the output phases of the VSI Three-phase load RL is Y-connected with neutral point n The CMV value is determined in (1): Vcm RSC DC-link GSC VaO VbO VcO (1) Where VaO, VbO and VcO are inverted phase voltages according to phase a, phase b and phase c Transformer Grid VnO S1 Vdc/2 S3 S5 RL a b O n c Vdc/2 S4 S6 S2 Fig DFIG based WTS scheme Depending on the operation modes of DFIG, the GSC and RSC may act different roles In subsynchronous mode, the GSC acts as the rectifier and the RSC acts as the inverter [1] Fig Two level VSI scheme with RL load Table I shows different values of CMV according to different switching states of the switches in 2L VSI This work was supported by the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under project 103.01-2015.53 IEECON 2018, Krabi, Thailand -404- TABLE I CMV VALUES IN 2L VSI smaller CMV magnitude (±Vdc/6) Thus for reducing CMV value, zero vectors must be negleted CMV Value Inverted phase voltages Switching Vector VaO VbO VcO V0(0, 0, 0) –Vdc/2 –Vdc/2 –Vdc/2 –Vdc/2 V1(1, 0, 0) +Vdc/2 –Vdc/2 –Vdc/2 –Vdc/6 V2(1, 1, 0) +Vdc/2 +Vdc/2 –Vdc/2 +Vdc/6 V3(0, 1, 0) –Vdc/2 +Vdc/2 –Vdc/2 –Vdc/6 V4(0, 1, 1) –Vdc/2 +Vdc/2 +Vdc/2 +Vdc/6 V5(0, 0, 1) –Vdc/2 –Vdc/2 +Vdc/2 –Vdc/6 V6(1, 0, 1) +Vdc/2 –Vdc/2 +Vdc/2 +Vdc/6 V7(1, 1, 1) +Vdc/2 +Vdc/2 +Vdc/2 +Vdc/2 B Reduced Common-mode Voltage Four States Space Vector PWM In traditional space vector pulse width modulation (SVPWM) technique, three nearest vectors are used to implement reference voltage vector Vref This method has a disadvantage in using zero vector (V0 or V7), which causes largest CMV magnitude To avoid using zero vectors, a four states space vector PWM technique (RCMV 4S SVPWM) is introduced in [6] Instead of using zero vectors (V0 or V7), two additional vectors are used, which opposite to each other Assume that Vref is in the first sextant, four vectors V1, V2, V3 and V6 can be used to implement Vref as (2): From the Table I, two zero vectors V0 and V1 cause largest CMV magnitude (±Vdc/2) while other vectors only generate Vref D1V1 D2V2 D3V3 D1 Vdc D6V6 D2 Vdc Where D1, D2, D3, and D6 are dwelling factors according to V1, V2, V3 and V6: D1 D2 D3 D6 D3 Vdc D1 D2 D2 b D3 a1 b1 c1 (4) β D2V2 Vref V1(1,0,0) V7(1,1,1) α D1V1 V0 (0,0,0) V5(0,0,1) b D6 a Vdc va0 Voff S4 0 Fig Average voltage model with offset function in proposed technique Va Vrefa Vb0 Vrefb Voff Vc Vrefc Voff Vrefa Vcm Vrefb Vcm Vrefc Vcm Voff Vdc Vdc Vdc (5) Where Vrefa, Vrefb and Vrefc are three phase reference voltages, Vcm is CMV and Vdc is total DC-link voltage All these voltages are measured in volts Three phase modulation voltages normalized to Vdc is determined in (6): * vrefa D6V6 (2) Vdc c V2(1,1,0) D3V3 V4(0,1,1) a Vdc Va Where ξa1 + ξb1 + ξc1 = and ξ0 is offset value In generals, the value of ξ0 is chosen between minimum value and maximum value, ξ0min and ξ0max, respectively Vectors selection in RCMV 4S SVPWM technique is shown in Fig V3(0,1,0) D3 D6 D6 c D2 D6 S1 Note that D3 = D6 = D0/2, where D0 is the dwelling factor of zero vector V0 Three variables ξa, ξb and ξc in (2) can be described as (4): a D2 is used In Fig 4, three fundamental components of inverted phase voltages Va0, Vb0 and Vc0 are determined from (5): (3) D1 D6 Vdc * vrefb * vrefc T vrefa voff vrefb voff vrefc Vrefa Vrefb Vrefc Vdc Vdc Vdc voff T (6) Where: V6(1,0,1) Fig Switching vector selection in the RCMV 4S SVPWM technique vrefa C Proposed Reducing CMV Technique From RCMV 4S SVPWM technique, a novel carrier based PWM technique using offset function with CMV reduction is introduced, called RCMV CBPWM To analyse the proposed algorithm, an average voltage source model for phase a in Fig vrefb vrefc voff T T (7) Voff Vdc (8) Eq (6) and Eq (4) have some similarites, because the proposed technique is actually based on the RCMV 4S IEECON 2018, Krabi, Thailand -405- SVPWM Offset voltage voff is proposed in the range between voffmin and voffmax: voff max voff T max T (9) Where max, and mid are the maximum value, minimum value and middle value of three-phase reference voltages normalized to Vdc, respectively These values are determined as (10): max mid max vrefa , v refb , v refc vrefa , v refb , v refc The simulation is carried out for two techniques: traditional sinusoidal PWM (SINPWM) technique and RCMV CBPWM technique with the same carrier frequency The simulation parameters are given in Table II The DFIG equivalent parameters are provided from [7] DFIG is controlled by decoupled vector control technique [8] TABLE II Parameter Value Units Generator nominal power 250 kW Generator nominal voltage (phase-phase rms) 400 V Generator pole pairs Grid frequency 50 Hz DC-link voltage 800 V Generator mechanical speed 1,200 rpm Base apparent power 250 kVA Base voltage 231 V Stator reference active power -0.5 p.u Stator reference reactive power p.u Carrier frequency kHz Sample time 1e-6 s (10) max With the same vector Vref in Fig 3, switching patterns and CMV waveform in RCMV CBPWM technique is shown in Fig v*refa v*refb v*refc S1 1 1 S3 1 0 1 S5 0 0 B Simulation Results +Vdc/6 –Vdc/6 SIMULATION PARAMETERS Ts Fig Switching patterns and CMV wave form in the proposed technique III SIMULATION AND RESULTS A Simulation Model Fig shows the CMV waveforms in the traditional technique (SIN PWM) and in the proposed technique (RCMV CBPWM) In traditional SINPWM technique, the CMV magnitude is ± 400 V or a half of total DC-link voltage (Vdc/2) By applying proposal technique, the CMV magnitude is decreased to ± 133 V, or one-sixth of DC-link voltage This result shows the effectiveness of the proposed technique Fig shows three-phase rotor current waveforms and Fig shows the FFT analysis results for the traditional technique and the proposed technique Fig shows the simulation model in MATLAB/Simulink The GSC and DC-link capacitors are modelled as two independent voltage sources, each of them has a value of Vdc/2 Fig Simulation model of DFIG with rotor side fed 2-level converter in MATLAB/Simulink IEECON 2018, Krabi, Thailand -406- Fig CMV waveforms in SINPWM technique (left) and in RCMV CBPWM technique (right) The traditional technique has the better THD characteristic at output current than the proposed technique: 5.91% compared with 11.88% The main reason is, in the RCMV CBPWM technique, the selected switching vectors are further away from reference vector and in SINPWM technique, selected switching vectors are nearer This high THD value can be reduced by using harmonic filters for RSC, or using multilevel inverters act as RSC IV CONCLUSIONS Fig Three-phase rotor current waveforms in SINPWM technique (top) and RCMV CBPWM technique (bottom) This paper has introduced a novel CBPWM technique with offset function to reduce the CMV voltage generated by the RSC in DFIG system The proposed technique has some advantages such as simplicity in calculation, ability in reducing CMV magnitude from Vdc/2 to Vdc/6 The drawback of proposed technique is in increasing the THD in the rotor currents REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Fig FFT analysis for rotor phase a current in SINPWM technique (top) and in RCMV CBPWM technique (bottom) S Muller, M Deicke and R W De Doncker, "Doubly fed induction generator systems for wind turbines," in IEEE Industry Applications Magazine, vol 8, no 3, pp 26-33, May/Jun 2002 J Zitzelsberger, W Hofmann, A Wiese and P Stupin, "Bearing currents in doubly-fed induction generators," 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, Dresden, 2005, pp pp.-P.9 A M Garcia, D G Holmes and T A Lipo, "Reduction of Bearing Currents in Doubly Fed Induction Generators," Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, Tampa, FL, 2006, pp 84-89 B Rueckert and W Hofmann, "Common mode voltage minimized direct power control of the grid side connected converter in doubly fed induction generators," 2008 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Ischia, 2008, pp 1455-1459 B Rueckert and W Hofmann, "Simulation of CMV-minimized Direct Power Control for Doubly Fed Induction Generators," 2008 Wind Power to the Grid - EPE Wind Energy Chapter 1st Seminar, Delft, 2008, pp 16 Pham Thuy Ngoc and Nguyen Van Nho, “Novel Pulse Width Modulation to Reduce Common-mode Voltage for Three Phase Voltae Source Inverter,” 2016 Vietnam Conference on Mechatronics, 2016 Nov 25-26, Can Tho, Vietnam, pp 532-538 Gonzalo Abad; Jesús López; Miguel Rodríguez; Luis Marroyo; Grzegorz Iwanski, "Steady State of the Doubly Fed Induction Machine," in Doubly Fed Induction Machine: Modeling and Control for Wind Energy Generation Applications , 1, Wiley-IEEE Press, 2011, pp.155208 Bin Wu; Yongqiang Lang; Navid Zargari; Samir Kouro, "Doubly Fed Induction Generator Based WECS," in Power Conversion and Control of Wind Energy Systems , 1, Wiley-IEEE Press, 2011, pp 237-273 IEECON 2018, Krabi, Thailand -407- 102 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V Yaramasu et al., "High-power Wind Energy Conversion Systems: State-of-theart and Emerging Technologies," in Proceedings of the IEEE, vol 103, no 5, pp 740-788, May 2015 [2] F Blaabjerg and K Ma, "Wind Energy Systems," in Proceedings of the IEEE, vol 105, no 11, pp 2116-2131, Nov 2017 [3] S Muller et al., "Doubly fed Induction Generator Systems for Wind Turbines," IEEE Industry Applications Magazine, vol 8, no 3, pp 26-33, May/Jun 2002 [4] R Pena et al., "Doubly fed Induction Generator using Back-to-back PWM Converters and Its Application to Variable-speed Wind-energy Generation," in IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol 143, no 3, pp 231-241, May 1996 [5] R Cardenas et al., "Overview of Control Systems for the Operation of DFIGs in Wind Energy Applications," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 60, no 7, pp 2776-2798, July 2013 [6] M Tazil et al., "Three-phase doubly fed induction generators: an overview," in IET Electric Power Applications, vol 4, no 2, pp 75-89, February 2010 [7] B Wu et al., "Wind Generators and Modeling," Power Conversion and Control of Wind Energy Systems, 1, Wiley-IEEE Press, 2011, pp.49-85 [8] F Wang, "Motor shaft voltages and bearing currents and their reduction in multilevel medium-voltage PWM voltage-source-inverter drive applications," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 36, no 5, pp 1336-1341, Sep/Oct 2000 [9] S Chen et al., "Source of induction motor bearing currents caused by PWM inverters," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 11, no 1, pp 25-32, Mar 1996 [10] J Adabi et al., “Analysis of Shaft Voltage in a Doubly-fed Induction Generator,” 2009 International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’09), Valencia, 2009 [11] A M Garcia et al., "Reduction of Bearing Currents in Doubly Fed Induction Generators," Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, Tampa, FL, 2006, pp 84-89 104 [12] J M Erdman et al., "Effect of PWM Inverters on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 32, no 2, pp 250-259, Mar/Apr 1996 [13] D Busse et al., "Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 12, no 2, pp 243-252, Mar 1997 [14] R Naik et al., "Circuit model for shaft voltage prediction in induction motors fed by PWM-based AC drives," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 39, no 5, pp 1294-1299, Sept.-Oct 2003 [15] S Kwak and S K Mun, "Model Predictive Control Methods to Reduce CommonMode Voltage for Three-Phase Voltage Source Inverters," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 30, no 9, pp 5019-5035, Sept 2015 [16] K Tian et al., "A Virtual Space Vector Modulation Technique for the Reduction of Common-Mode Voltages in Both Magnitude and Third-Order Component," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 31, no 1, pp 839-848, Jan 2016 [17] M E Adabi and A Vahedi, "A Common-mode Voltage Reduction Strategy for a DFIG with a Three-level Back-to-back Converter," 2011 2nd Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference, Tehran, 2011, pp 392-397 [18] S K Hoseini et al., "Predictive Modulation Schemes to Reduce Common-mode Voltage in Three-phase Inverters-fed AC Drive Systems," in IET Power Electronics, vol 7, no 4, pp 840-849, April 2014 [19] J Zitzelsberger et al., "Bearing Currents in Doubly-fed Induction Generators," 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, Dresden, 2005, pp 1-9 [20] B Wu et al., "Doubly Fed Induction Generator Based WECS," in Power Conversion and Control of Wind Energy Systems, 1, Wiley-IEEE Press, 2011, pp.480 [21] Pham Thuy Ngoc and Nguyen Van Nho, “Novel Pulse Width Modulation to Reduce Common-mode Voltage for Three Phase Voltage Source Inverter,” 2016 Vietnam Conference on Mechatronics, 2016 Nov 25-26, Can Tho, Vietnam, pp 532-538 105 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN TRONG HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI Hệ đơn vị tương đối sử dụng sơ đồ mô MATLAB/Simulink Phần phụ lục trình bày đại lượng sử dụng để chuyển đổi đại lượng hệ SI hệ tương đối Công suất biểu kiến Sbase chọn công suất biểu kiến định mức SN DFIG: Sbase Snom (VA) Công suất tác dụng Pbase chọn công suất định mức PmN DFIG: Pbase Pmnom (W) Trong công suất định mức DFIG xác định theo công thức: Pmnom mnom Tmnom (W) Điện áp Vbase chọn điện áp pha định mức VR DFIG: Vbase Vsnom (V) Dòng điện Ibase chọn dòng điện pha định mức IR DFIG: Ibase I snom (A) Tần số góc chọn tần số góc đồng DFIG: base f s (rad/s) Trong fs tần số lưới điện Các đại lượng từ thông bản, tổng trở bản, điện cảm điện dung xác định theo công thức: Vbase base base (Wb), Z base Vbase (Ω), Lbase I base Z base base (H), Cbase (F) Z base base 106 PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ DFIG 15 kW VÀ 250 kW Thông số DFIG 15 kW DFIG 250 kW 1500 1500 Công suất định mức Psnom (kW) 15 250 Điện áp dây hiệu dụng định mức stator VLLnom (V) 380 400 Điện áp dây hiệu dụng định mức stator Vsnom (V) 380 400 Dòng điện hiệu dụng định mức stator Isnom (A) 32 370 95,5 1591 Kiểu nối dây stator Y Y Số cặp cực p 2 380 400 Kiểu nối dây rotor Y Y Hệ số quy đổi điện áp stator-rotor u 1 161 20 0,2 Điện cảm từ hóa Lm (mH) 46,5 4,2 Điện trở rotor (quy stator) R/r (mΩ) 178 20 0,2 178 20 0,2 Điện cảm stator Ls (mH) 49,5 4,4 Điện cảm rotor Lr (mH) 49,5 4,4 Điện áp Vbase (V) 220 231 Tốc độ đồng (rpm) Mô men định mức Tmnom (N.m) Điện áp dây hiệu dụng định mức rotor Vrnom (V) Điện trở stator Rs (mΩ) Điện cảm tản stator Lls (mH) Điện cảm tản cuộn dây rotor (quy stator) L/lr (mH) Điện trở rotor Rr (mΩ) Điện cảm tản cuộn dây rotor Llr (mH) 107 Dòng điện Ibase (A) 32 370 Điện trở stator hệ tương đối rs (pu) 0,023 0,032 Điện cảm móc vịng stator hệ tương đối lls 0,137 0,1 Điện cảm từ hóa hệ tương đối lm (pu) 2,12 2,11 Điện trở rotor hệ tương đối (quy stator) rr 0,025 0,032 0,137 0,1 (pu) (pu) Điện cảm tản rotor hệ tương đối (quy stator) llr (pu) 108 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG THƠNG TIN CÁ NHÂN Họ tên: LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1990 Nơi sinh: Nha Trang, Khánh Hòa Địa thường trú: số 1101 đường 23/10, xã Vĩnh Hiệp, Tp Nha Trang, Khánh Hòa Địa liên lạc: số 273/22 đường Tô Hiến Thành, phường 13, quận 10, Tp HCM Điện thoại: 01656183792 Email: hongphonglenguyen@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2017-2018: Đại học Bách khoa Tp HCM (cao học), chuyên ngành: Kỹ thuật Điện 2008-2012: Đại học Công nghiệp Tp HCM (đại học), chuyên ngành: Kỹ thuật Điện ... Converter Bộ biến đổi nguồn áp WRSG Wound Rotor Synchronous Máy phát đồng rotor dây quấn Generator Điện áp common- mode Induction Máy phát không đồng nguồn kép Induction Máy phát không đồng rotor. .. thuật Điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON- MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát tổng quan: hệ thống máy. .. 35 2.3 Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG 38 2.4 Sơ đồ điều khiển 40 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON- MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR