Bài viết đã trình bày các kết quả nghiên cứu và đánh giá các giải pháp điều khiển để thấy được khả năng vượt trội của chúng. Phương pháp dùng điều khiển dòng điện dùng PIR thể hiện đáp ứng vận hành tốt nhất thông qua việc giảm nhiều dao động công suất của máy phát không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) khi có giảm áp.
SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ DÙNG DFIG TÓM TẮT Máy phát điện gió loại khơng đồng ba pha nguồn kép nhạy cảm với nhiễu lưới, đặc biệt trường hợp điện áp lưới không cân Thông thường, dao động công suất tăng xuất thành phần thứ tự thuận nghịch dòng điện điện áp Các phương pháp dùng điều khiển dịng điện điều khiển tích phân-tỉ lệ (PI), điều khiển cộng hưởng-tích phân-tỉ lệ (PIR) kĩ thuật điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp có điện áp lưới khơng cân Bài báo trình bày kết nghiên cứu đánh giá giải pháp điều khiển để thấy khả vượt trội chúng Phương pháp dùng điều khiển dòng điện dùng PIR thể đáp ứng vận hành tốt thông qua việc giảm nhiều dao động công suất máy phát không đồng ba pha nguồn kép (DFIG) có giảm áp GIỚI THIỆU N gày nay, DFIG trở thành máy phát điện phổ biến hệ thống phát điện gió Thứ nhất, DFIG cấp nguồn cho lưới điện áp không đổi tần số khơng đổi rotor hoạt động chế độ mức đồng chế độ mức đồng Thứ hai, định mức chuyển đổi lượng chiếm khoảng 30% cơng suất định mức tua-bin gió Thứ ba, cơng suất tác dụng công suất phản kháng máy phát điều khiển cách độc lập Trong trường hợp nhiễu loạn lưới, cố lưới không cân xảy thường xuyên Vấn đề nghiêm trọng điện áp lưới không cân dao động công suất stator mô men điện từ, ảnh hưởng đến độ ổn định lưới kết nối thành phần khí tua-bin gió [1] Bên cạnh đó, độ dao động điện áp tạo DC-link dao động cơng suất sinh có cố Điều khiển hệ thống DFIG trường hợp lưới không cân nghiên cứu [2], [3] [4] Trong [2], dịng điện tham chiếu cần bồi hồn tính tốn nhằm làm 20 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 ThS TRƯƠNG TRUNG HIẾU Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM TS VĂN TẤN LƯỢNG Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm TP.HCM PGS.TS NGUYỄN HÙNG Trường ĐH Công nghệ TP.HCM giảm dao động mơ men máy phát mà khơng địi hỏi thơng số máy phát Tuy nhiên, điều khiển dòng rotor không dễ thiết kế thực để điều khiển thành phần DC hệ tọa độ quay (synchronous reference frame) dịng rotor cần bồi hồn tần số gấp đơi tần số dịng Trong [3], dao động mô men sử dụng ngõ vào điều khiển để tạo điện áp rotor cần bồi hoàn Tuy nhiên, điều khiển thiết kế cách kỹ lưỡng cho thành phần DC thành phần dòng điện tần số 2ω Trong báo này, phương pháp điều khiển dịng điện điều khiển tích phântỉ lệ kép (dual PI) theo trục d q thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch, kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (FL) điều khiển cộng hưởng-tích phân- tỉ lệ (PIR) áp dụng Trước tiên, sở lí thuyết phương pháp điều khiển dịng điện rotor giới thiệu phân tích Sau đó, kết mơ từ việc mơ hệ thống lượng gió dùng DFIG cơng suất MW ứng với phương pháp điều khiển khác cung cấp để so sánh đánh giá ưu khuyết phương pháp ĐIỀU KHIỂN DFIG TRONG TRƯỜNG HỢP ĐIỆN ÁP LƯỚI KHÔNG CÂN BẰNG Trong trường hợp điện áp nguồn không cân bằng, công suất toàn phần stator viết sau: s s* S s = 1.5vdqs idqs Trong đó: p s n vdqs = e jω e t vdqs + e j (−ω e )t vdqs (1) phần thứ tự thuận nghịch p s n idqs = e jω e t idqs + e j (−ω e )t idqs Công suất tác dụng công suất phản kháng stator tức thời đạt sau: p s (t ) = Ps + Psc ⋅ cos(2ωe t ) + Ps ⋅ sin (2ωe t ) (2) q s (t ) = Qs + Qsc ⋅ cos(2ωe t ) + Qs ⋅ sin (2ωe t ) (3) DFIG DFIG ωr Encoder ibr Trong đó: ( P s ( p c = 1.5 vds ( = 1.5(v = 1.5(v = 1.5(v ⋅ idsn + vqsp ⋅ iqsn + vdsn ⋅ idsp + vqsn ⋅ iqsp Ps = 1.5 vqsn ⋅ idp − vdsn ⋅ iqp − vqsp ⋅ idp − vdsn ⋅ iqn Qs p qs Qsc Qs p qs p ds abc ) dq ) ) ⋅ idsn − vdsp ⋅ iqsn + vqsn ⋅ idsp − vdsn ⋅ iqsp ⋅ idsn + vqsp ⋅ iqsp − vdsn ⋅ idsp − vqsp ⋅ iqsp ) ) Cơng suất tồn phần máy phát tính sau: ( s s* s s* ST = 1.5 vdqs idqs + vdqr idqr ) (4) Trong đó: p s n vdqr = e j (ω e −ω r )t vdqr + e j (−ω e −ω r )t vdqr p s n idqr = e j (ω e −ω r )t idqr + e j (−ω e )t idqr Dòng điện tham chiếu để làm giảm dao động cơng suất tính tốn sau: idp* (t ) vdsp iqp* (t ) vqsp = idn* (t ) vqsn iqp* (t ) vdsn (5) vqsp −vdsp −vdsn vqsn vdsn vqsn −vqsp vdsp vqsn −vdsn vdsp vqsp −1 1.5Ps*0 − Pss* − Psc* chiếu, P , đạt từ phương pháp điều khiển phát công suất cực đại (MPPT) công suất phản kháng stator, Qs*0 thường cài đặt [5] Công suất phản kháng lưới điều khiển theo giá trị tham chiếu ( Q ) giá trị cài đặt theo yêu cầu lưới Khi giá trị công suất stator đạt đến giá trị tham chiếu, nghịch lưu phía rotor trở chế độ điều khiển thông thường 1.1 Điều khiển dòng điện rotor máy phát dùng điều khiển PI kép cho thành * grid v v i p∗ dr p∗ qr p∗ * dr Bộ điều p∗ khiển dòng iqr điện Điều khiển thành phần thứ tự nghịch + SVPWM abc v v n∗ dr n∗ qr n∗ idr Bộ điều n∗ khiển dịng iqr điện Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát dùng PI kép Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát nghịch lưu phía máy phát (RSC) thể hình Phía rotor hệ thống tua-bin gió dùng DFIG kết nối với lưới thơng qua biến đổi công suất (back-to-back converters), định vận hành DFIG Nếu thông số điều khiển dòng điện dùng PI thiết kế hợp lý, dao động cơng suất tác dụng mơ men giảm nhiều có cố lưới Tuy nhiên, khó để có thơng số điều khiển PI chịu ảnh hưởng nhiễu lưới 1.2 Điều khiển dòng điện rotor máy phát dùng kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp Trong trường hợp điện áp lưới khơng cân bằng, điện áp, dịng điện từ thơng có chứa thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch Phương trình điện áp rotor hệ tọa độ quay dq thể sau: Trong đó, cơng suất tác dụng stator tham * s0 p n idqr , idqr + dq ) ⋅ idsp − vdsp ⋅ iqsp + vqsn ⋅ idsn − vdsn ⋅ iqn ∗ vabcr PWM PWM converter Lưới Điều khiển thành phần thứ tự thuận iar Ps = 1.5 vdsp ⋅ idsp + vqsp ⋅ iqsp + vdsn ⋅ idsn + vqsn ⋅ iqsn p n p n vdqs , vdqs , idqs , idqs Tách thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch vdrp = Rr idrp + σ Lr didrp L − (ωs − ωr ) m λqsp − dt Ls (6) − (ωs − ωr ) σ Lr iqrp vqrp = Rr iqrp + σ Lr diqrp dt + ( ω s − ωr ) Lm p λds + Ls (7) + (ωs − ωr ) σ Lr idrp vdrn = Rr idrn + σ Lr didrn L − ( −ωs − ωr ) m λqsn − dt Ls (8) − ( −ωs − ωr ) σ Lr iqrn BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 21 (10) thể (12) (13) là: x = idrp diqrn L vqrn = Rr iqrn + σ Lr + ( −ωs − ωr ) m λdsn + dt Ls (9) + ( −ωs − ωr ) σ Lr idrn Trong đó: σ Lr = Lr − i i n dr n qr i i = A + B C = + D ; u = vdrp σ Lr 0 σ Lr σ Lr 0 σ Lr vqrp p dr p qr v v (10) T ; y = h( x ) = idrp iqrp T Lấy đạo hàm ngõ ra, ta được: A( x) = A B (14) Trong đó: A , E ( x ) = σ Lr A( x) = B 0 σ Lr vdrp vqrp u = Nếu ngõ vào điều khiển u chọn vdrn vqrn (11) u = E −1 (x )[− A(x ) + v ] (15) Trong đó: v đầu vào điều khiển tương đương xác định: Trong đó: A= − Rr p i + (ωs − ωr ) iqrp σ Lr dr B= L2 i p − Rr p iqr − (ωs − ωr ) m ms − (ωs − ωr ) idrp σ Lr σ Lr Ls y=v= C= − Rr n i + ( −ωs − ωr ) iqrn σ Lr dr D= L i − Rr n − ( −ωs − ωr ) idrn iqr − ( −ωs − ωr ) σ Lr σ Lr Ls n m ms Kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp phương pháp loại bỏ tính chất phi tuyến hệ thống cho đáp ứng độ vịng lặp kín giảm hình thức tuyến tính Xét hệ thống đa ngõ vào đa ngõ (MIMO) sau [6], [7]: (12) x = f ( x) + gu (13) Trong đó: x vec-tơ trạng thái, u ngõ vào điều khiển, y ngõ ra, f g trường vectơ h hàm vơ hướng Mơ hình phi tuyến DFIG phía rotor y = h(x) 22 T L2m Ls Lr Mơ hình phi tuyến DFIG phía rotor thể sau: p dr p qr iqrp BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 v1 v2 (16) Ngõ vào điều khiển với điều khiển tích phân cho bởi: y1* + k1e1 + k2 ∫ e1 dt v1 = v2 y2* + k21e2 + k22 ∫ e2 dt (17) Trong đó: e1 = y1* − y1 e2 = y2* − y2 y1* lượt giá trị tham chiếu y1 y1 lần e1 + k11e1 + k12 e1 = e2 + k21e2 + k22 e2 = Phương trình (17) viết sau: e1 + k11e1 + k12 e1 = e2 + k21e2 + k22 e2 = (18) Trong đó: k11, k12, k21 k22 số, có giá trị dương [7] yếu điều khiển điều khiển PI, Thứ tự thuận s + i k21 s i pp dr dr s + v2 k21 + p* iqrqrp* k22 s − ++ vqrp* + ++ u = E −1 ( x ) − A ( x ) + v + dq i qrqrpp abc vdrn* − ++ vdqrn* i k k pi + ii s n* n* dr dr + SVPWM + Sa Sb Sc k11 + − v p* dqr v1 + vdrp* p* p* dr dr idrdrnn ++ n* iqrqrn* k s i i − k pi + + vqrn* iqrqrnn Thứ tự nghịch Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển dịng điện máy phát dùng kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát nghịch lưu phía máy phát (RSC) thể hình 2, thành phần dịng điện thứ tự thuận dùng kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp dòng điện thứ tự nghịch dùng điều khiển tích phân-tỉ lệ (PI) 1.3 Điều khiển dịng điện rotor máy phát dùng điều khiển cộng hưởng-tích phân-tỉ lệ (PIR) Tách thành phần DFIG DFIG ωr Lưới p p n vdqs i ndqs idqs vdqs p PIR i - vqrp∗ PIR + abc vdrp∗ p qr idrp i drn∗ p θ sl - dq iqrn∗ abc n θ sl Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển dịng điện máy phát dùng PIR Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát nghịch lưu phía máy phát (RSC) thể hình Hàm truyền cộng hưởngtích phân-tỉ lệ (PIR) thể sau: PIR ( s ) = k P + kI 2k + R2 s s s + ω 20 Thơng số (19) Trong đó: k p , ki kr số tỉ lệ, tích phân cộng hưởng, ω 20 tần số có giá trị gấp đôi tần số ( ω20 = 2ωs ) Với điều khiển PIR, thành phần DC chủ Giá trị Công suất định mức MW Bán kính cánh quạt 39 m Cường độ khơng khí 1,225 kg/m3 cực đại iqrp∗ abc + dq K Ế T Q UẢ M Ô P H Ỏ N G Việc mô cho hệ thống máy phát DFIG thực phần mềm mô PSCAD/EMTDC Máy phát DFIG sử dụng mơ có giá trị định mức [MW] tương ứng với tốc độ gió định mức 10 [m/s] Điện áp lưới 690 [V]/ 60 [Hz] Điện áp pha A giảm 12% (sự cố) xem xét nghiên cứu Ban đầu, hệ thống chạy với trường hợp điện áp lưới bình thường (cân bằng) Sau đó, điện áp lưới bị cố bắt đầu thời điểm 1,5 giây kết thúc cố thời điểm giây Thơng số tua-bin gió máy phát DFIG thể Bảng Bảng Thơng số tua-bin gió Hệ số chuyển đổi công suất i drp∗ + dq + iar PWM converter PWM idqr∗ n∗ idqr Tách thành phần + i br + + Encoder tín hiệu AC tần số 2ωs điều khiển hoàn toàn điều khiển cộng hưởng (R) 0,4 Tốc độ gió cận m/s Tốc độ gió cận 25 m/s Hệ số qn tính cánh quạt 6,3x106 kg.m2 Bảng Thơng số DFIG Thông số Giá trị Công suất định mức MW Điện áp lưới 33 kV Điện áp stator 690 V Điện trở stator 0.00488 p.u Điện trở rotor 0.00549 p.u Điện cảm rò stator 0.0924 p.u Điện cảm rị rotor 0.0995 p.u Hệ số qn tính máy phát 200 kg.m2 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 23 Hình thể kết vận hành DFIG với việc điều khiển vector từ thông stator sử dụng điều khiển tích phân-tỉ lệ kép theo trục d q thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch (Hình (A)), kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (Hình (B)) điều khiển cộng hưởngtích phân-tỉ lệ (Hình (C)) trường hợp điện áp lưới không cân Như thể hình (C), độ dao động dòng điện rotor giảm nhiều, so với dòng điện rotor trường hợp dùng điều khiển tích phân-tỉ lệ kép kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp Ngồi ra, độ dao động mơ men, cơng suất tác dụng công suất phản kháng stator giảm đáng kể Do đó, điều khiển cộng hưởng-tích phân- tỉ lệ cho kết vận hành điều khiển tốt KẾT LUẬN Các phương pháp điều khiển dòng điện máy phát có cố lưới điều khiển tích phân-tỉ lệ kép (dual PI) theo trục d q thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch, kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (FL) điều khiển cộng hưởng-tích phân- tỉ lệ (PIR) nghiên cứu báo để làm giảm dao động công suất máy phát Kết mô dùng phần mềm PSCAD cho hệ thống lượng gió DFIG công suất MW đưa để kiểm chứng tính vượt trội phương pháp Mỗi phương pháp pháp điều khiển có ưu điểm khuyết điểm riêng Tuy nhiên, so với phương pháp dùng điều khiển tích phân-tỉ lệ kép theo trục d q thành phần thứ tự thuận thứ tự nghịch kỹ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp phương pháp dùng điều khiển cộng hưởng-tích phân- tỉ lệ vượt trội làm giảm dao động dịng điện, cơng suất đến giá trị thấp Hình 4: Kết vận hành hệ thống trường hợp điện áp pha A giảm 12% dùng ba phương pháp điều khiển: (A) PI kép (B) Kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (C) PIR (a) Điện áp lưới (b) Điện áp tụ DC-link (c) Dòng điện rotor (d) Công suất tác dụng stator (e) Công suất phản kháng stator (f) Mô men máy phát 24 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 TÀI LIỆU THAM KHẢO L Xu and Y Wang,”Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditions,” IEEE Trans on Power System, vol 22, no.1, pp 314 - 323, Feb., 2007 T Brekken and N Mohan, “A novel doubly-fed induction wind generator control scheme for reactive power control and torque pulsation compensation under unbalanced grid voltage conditions,” IEEE PESC Conf Proc., vol 2, pp 760 - 764, 2003 On Energy Conv., vol 22, no 1, pp 129-135, March 2007 K.-H Kim, T L Van, D.-C Lee, S.H Song, and E.-H Kim, “Maximum Output Power Tracking Control in Variable-Speed Wind Turbine Systems Considering Rotor Inertial Power”, IEEE Trans Ind Electro., Vol 60, No 8, , pp 3207-3217, Aug 2013 T Brekken, N Mohan, and T Undeland, “Control of a doubly-fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions,” in Proc Europe Conf Power Electronics Applications, Sep 2005 T L Van, L M T Huynh, T T Trang, D C Nguyen, “Improved Control Strategy of ThreePhase Four-Wire Inverters Using Sliding Mode Input-Ouput Feedback Linearization under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”, The International Conference on Advanced Engineering – Theory and Applications 2015 (AETA 2015), Vietnam, Dec 2015 T Brekken and N Mohan, “Control of a doubly fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions,” IEEE Trans J J E Slotine and W Li, Applied Nonlinear Control Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1991, pp 207–271 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÔNG THỂ CUNG CẤP ĐIỆN CHO PHỤ TẢI NỀN, CĨ ĐÚNG KHƠNG? (LƯỢC DỊCH) KS CV cao cấp LÊ HẢI SƠN Hội Điện lực miền Nam C húng ta thường nghe nói loại lượng tái tạo ví dụ điện gió điện mặt trời cung cấp điện cho phụ tải ( nghĩa cung cấp điện 24/7) Người ta nói rằng: “ Mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm khơng phải lúc gió thổi” Muốn biết thật việc này, cần hiểu sâu số vấn đề Như biết, việc tích trữ điện quy mơ lớn q tốn kém, nhà máy phát điện phải tuân biến đổi biểu đồ phụ tải Để làm điều này, hệ thống điện truyền thống có hai loại nhà máy điện chủ yếu: chạy chạy đỉnh Các nhà máy điện chạy vận hành 24 ngày, bảy ngày tuần, bị cố Các nhà máy có chi phí vốn lớn chi phí vận hành thấp Các nhà máy điện chạy truyền thống thường chạy than, số nước, điện nguyên tử Muốn khởi động từ trạng thái lạnh nhà máy ngày khơng linh hoạt việc đáp ứng biến đổi biểu đố phụ tải hàng ngày Trái lại, nhà máy điện chạy đỉnh vận hành tốn kém, linh hoạt việc đáp ứng phụ tải cao điểm thay cho nhà máy điện chạy bị cố Các nhà máy điện chạy đỉnh truyền thống tua-bin khí chạy khí thiên nhiên dầu, nhà máy thủy điện Để đáp ứng biến BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 25 ... rotor trở chế độ điều khiển thơng thường 1.1 Điều khiển dịng điện rotor máy phát dùng điều khiển PI kép cho thành * grid v v i p∗ dr p∗ qr p∗ * dr Bộ điều p∗ khiển dòng iqr điện Điều khiển thành phần... Bộ điều n∗ khiển dịng iqr điện Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát dùng PI kép Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát nghịch lưu phía máy phát (RSC) thể hình Phía rotor hệ thống. .. hồi tiếp dịng điện thứ tự nghịch dùng điều khiển tích phân-tỉ lệ (PI) 1.3 Điều khiển dòng điện rotor máy phát dùng điều khiển cộng hưởng-tích phân-tỉ lệ (PIR) Tách thành phần DFIG DFIG ωr Lưới