Đánh giá ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến chất lượng điều khiển của biến tần nối lưới dùng trong năng lượng gió

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH QUÁCH HUỲNH TÂN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÖC ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CỦA BIẾN TẦN NỐI LƢỚI DÙNG TRONG NĂNG LƢỢNG GIÓ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 Cơng trình đƣợc hồn thành Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Ts Nguyễn Trung Nhân Ngƣời phản iện 1: PGS.TS Trƣơng Đình Nhơn Ngƣời phản iện 2: TS Nguyễn Nhật Nam Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng n m 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm: PGS.TS Trƣơng Việt Anh - Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Trƣơng Đình Nhơn - Phản iện TS Nguyễn Nhật Nam - Phản iện TS Bạch Thanh Quý - Ủy viên TS Trần Thanh Ngọc - Thƣ ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Quách Huỳnh Tân Ngày, tháng, n m sinh : 20/11/1989 Chuyên ngành I MSHV: 16083531 Nơi sinh: Châu Thành Bến Tre : Kỹ Thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202 TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá ảnh hƣởng tham số cấu trúc đến chất lƣợng điều khiển iến tần nối lƣới dùng n ng lƣợng gió NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu n ng lƣợng gió xây dựng mơ hình tốn cho máy phát điện gió Đánh giá yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện n ng hệ thống KẾT QUẢ DỰ KIẾN : Đánh giá tác động tham số cấu trúc điều khiển đến chất lƣợng hệ thống  Đề xuất thuật toán xác định tham số điều khiển tối ƣu IV II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QD số 2660/QĐ-ĐHCN ngày 11/12/2018 V III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : VI IV NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: II    III  Ts Nguyễn Trung Nhân Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA….……… LỜI CẢM ƠN Khoảng thời gian học tập trƣờng từ sinh viên đại học đến tiếp tục tham gia vào khóa cao học khoảng thời gian đẹp với nhiều kỷ niệm, mặt khác học hỏi thêm điều mới, phát triển khả n ng góc nhìn nhận, có thêm hành trang q giá đƣờng phát triển ản thân sau Với tất lịng iết ơn kính trọng, tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu nhà trƣờng, phòng quản lý sau đại học, khoa công nghệ kỹ thuật điện Thầy Cô nhiệt tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình học tập trƣờng nhƣ khoảng thời gian nghiên cứu hoàn thành luận v n Và đặt iệt Thầy Nguyễn Trung Nhân tận tình dẫn truyền nhiệt huyết để tơi hồn thành ài nghiên cứu, khơng có hƣớng dẫn từ Thầy tơi khơng thể hồn thành ài luận kịp tiến độ, kiến thức chia sẻ Thầy giúp việc học mà phát triển nghiệp sống em xin chân thành cám ơn Thầy nhiều Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … n m 2020 Học viên Quách Huỳnh Tân i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Giới thiệu n ng lƣợng gió, cấu trúc tua in gió đƣợc sử dụng mơ hình kết nối hệ thống, xây dựng mơ hình tốn cho ộ điều khiển VSI – LCL, phân tích ảnh hƣởng tham số cấu trúc tham số điều khiển đến chất lƣợng hệ thống, đề giải thuật để xác định vùng giá trị tham số điều khiển tổi ƣu ii ABSTRACT This thesis introduces about wind energy, wind turbine structure using in reality when connect to grid, builds mathematical models for VSI - LCL controller, analyzes the influence of structural and parameters control the system quality, and propose algorithms to determine the optimal area value for control parameter iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu ản thân Các kết nghiên cứu kết luận luận v n trung thực, không chép từ ất kỳ nguồn dƣới ất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên Quách Huỳnh Tân iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ II LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XI MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu Ý ngh a thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ 1.1 Lịch sử khai thác n ng lƣợng gió giới 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Quá trình phát triển 3 1.2 Thị trƣờng điện gió n m 2018 1.2.1 Sự phát triển n ng lƣợng gió khu vực giới 1.2.2 Ngành công nghiệp n ng lƣợng gió 4 19 1.3 Các dạng máy phát điện gió 1.3.1 Máy phát điện gió cao tầng 29 29 v 1.3.2 1.3.3 Tua in gió cố định Máy phát điện gió 31 34 1.4 Sự phát triển n ng lƣợng gió Việt Nam 1.4.1 Tiềm n ng phát triển n ng lƣợng gió Việt Nam 1.4.3 N ng lƣợng gió khơi gần 1.4.4 Định hƣớng phát triển n ng lƣợng gió Việt Nam 35 35 37 38 1.5 Yêu cầu chất lƣợng điện n ng cho hệ thống điện gió nối lƣới 1.5.3 Dao động điện áp 1.5.4 Hệ số nhấp nháy 1.5.5 Sóng hài 1.5.6 Dao động tạm thời 1.5.7 Tần số 41 41 43 48 49 50 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BẰNG BIẾN TẦN 52 2.1 Mơ hình tốn cho máy phát điện gió 2.1.1 Máy phát đồng ộ kích thích v nh cửu 2.1.2 Máy phát cảm ứng kích từ kép 2.1.3 Máy phát khơng đồng ộ rotor lồng sóc 52 52 54 56 2.2 Các loại iến tần thƣờng đƣợc sử dụng hệ thống điện gió 2.2.1 Biến tần trực tiếp 2.2.2 Biến tần gián tiếp 58 58 59 2.3 Xây dựng mơ hình cho máy phát iến tần 59 2.3.1 Mơ hình kết nối cho máy phát điện kích từ kép 60 2.3.2 Mơ hình kết nối cho máy phát điện nam châm v nh cửu máy phát cảm ứng lồng sóc 60 2.3.3 Bộ chuyển đổi Back-to-back 62 CHƢƠNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC ĐẾN CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 76 3.1 Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống 3.1.1 Mơ hình tốn ộ lọc kết nối lƣới thơng qua cuộn cảm L 3.1.2 Mơ hình tốn học kết nối lƣới thông qua ộ lọc LCL 3.1.3 Xây dựng hàm truyền cho hệ thống 76 77 79 80 3.2 Sự phụ thuộc ổn định hệ thống vào thông số R,L,C 85 vi 3.3 Ảnh hƣởng tham số điều khiển đến chất lƣợng hệ thống 88 3.4 Giải thuật đề xuất 91 CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 94 4.1 Trƣờng hợp thông số C thay đổi 94 4.2 Trƣờng hợp thông số L thay đổi 97 4.3 Trƣờng hợp thông số R thay đổi 100 4.4 Kết luận 103 KẾT LUẬN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 108 vii CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Chúng ta tiến hành mô phƣơng pháp đề xuất cho ộ lọc LCL dựa hệ thống điều khiển iến tần nối lƣới kết hợp tiêu chuẩn Rough phần mềm Matlap/Simulink trƣờng hợp thông số điều khiển xác định theo phƣơng pháp đề xuất trƣờng hợp thông số điều khiển ngẫu nhiên nhằm chứng minh tính hiệu xác giải thuật đề xuất với sơ đồ hệ thống mơ nhƣ hình ên dƣới : Hình 4.1 Sơ đồ khối mơ hệ thống Matlap/Simulink 4.1 Trƣờng hợp thông số C thay đổi Thông số sử dụng mô đƣợc lấy theo nhƣ ảng liệu chƣơng Với tần số lƣới 50Hz, điện áp lƣới 320V tín hiệu điều khiển IGBT đƣợc tạo ằng ộ điều chế độ rộng xung có iên độ tần số sóng mang tƣơng ứng 10,000 Hz Kết mô ộ VSI a pha kết hợp ộ lọc LCL đƣợc thể ảng ên dƣới với nhu cầu công suất phản kháng ằng 94 95 Hình 4.2 Kết mơ hệ thống điều khiển vịng kín miền thay đổi tham số C (a)Hệ thống với giá trị tính tốn (b) Hệ thống với hệ số ngẫu nhiên 96 Để kiểm tra tính ổn định thệ thống điều khiển, ta vẽ iểu đồ nghiệm số cho thay đổi giá trị điện cảm C hệ thống hai trƣờng hợp giá trị tính tốn) giá trị 0.5{ { =2.6 (kết =4 (giá trị ngẫu nhiên) với giá trị C thay đổi khoảng Tại iểu đồ a ta thấy với giá trị Kp tính tốn miền ổn định hệ thống tƣơng ứng rộng so với iểu đồ có giá trị kp ngẫu nhiên, từ chất lƣợng ngõ dịng điện có khác iệt rõ hai hệ số Với kết mô hình 4.2_a ta thấy dịng điện ngõ ổn định, chất lƣợng dòng điện ngõ hình 4.2_ dao động mạnh liên tục Nên việc thiết kế hệ thống với thông số điều khiển xác quan trọng việc đảm ảo chất lƣợng điện n ng ngõ 4.2 Trƣờng hợp thông số L thay đổi Chúng ta tiếp tục mô hệ thống điều kiện thông số ộ L thay đổi (Giá trị L chọn ngẫu nhiên miền thay đổi 0.4mH) để đánh giá độ nhạy cảm tham số ộ điều khiển, trƣờng hợp tham số toán giá trị đƣợc đặt với giá trị tính ngẫu nhiên, Từ ta có đƣợc kết nhƣ hình ên dƣới : 97 98 Hình 4.3 Kết mơ thơng số L thay đổi (a)Hệ thống với giá trị Kp tính toán (b) Hệ thống với hệ số Kp ngẫu nhiên Kết mô thông số L1 thay đổi khoảng 0.5{ { , ta thấy có khác iệt rõ hệ thống có hệ số điều khiển đƣợc xác định 99 theo cách ngẫu nhiên cách đề xuất hệ thống có hệ số điều khiển đƣợc lựa chọn theo , hệ thống với hệ số kp đề xuất mang lại tác động ổn định nhanh cho hệ thống ất chấp thay đổi thông số hệ thống phƣơng pháp thƣờng không làm đƣợc, đồng thời ta thấy chất lƣợng hệ thống nhạy cảm với thông số ộ điều khiển tham số hệ thống nên việc thiết kế hệ thống với thơng số xác giúp đạt đƣợc hiệu suất cao 4.3 Trƣờng hợp thông số R thay đổi Ta tiếp tục xét hệ thống trƣờng hợp tham số R1 thay đổi hai giá trị tốn tính ngẫu nhiên Kết mơ đƣợc thể nhƣ hình ên dƣới với hình (b) kết với hệ số điều khiển lần lƣợt theo phƣơng pháp thơng thƣờng hình (a) theo phƣơng pháp đề xuất với =5 =2.6 Từ ta thấy hệ số điều khiển để xuất đem đến hiệu ổn định trƣờng hôp thông số hệ thống thay đổi: 100 101 Hình 4.4 Kết mô thông số R1 thay đổi (a)Hệ thống với giá trị tính tốn (b) Hệ thống với hệ số ngẫu nhiên 102 4.4 Kết luận Các kết mô hệ thống cho thấy giá trị điều khiển Kp tối ƣu đem lại tính ổn định cho hệ thống điều kiện tham số hệ thống thay đổi theo thời gian, Sự nhạy cảm hệ thống khác với tham số cấu trúc, nhiên tồn giá trị điều khiển tối ƣu mà thay đổi tham số cấu trúc có tác động đến chất lƣợng ngõ nhất, nên thiết kế hệ thống điều khiển cần tính tốn chọn lựa giá trị điều khiển cẩn thận,tƣơng ứng với thông số thực tế hệ thống nhƣ cần dự đoán đƣợc vùng thay đổi tham số cấu trúc điều kiện vận hành tính tốn, từ xác định đƣợc giá trị điều khiển tối ƣu phù hợp 103 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận : Bằng việc phân tích đánh giá tác dụng riêng lẻ phần tử hệ thống tác động đến chất lƣợng ngõ thông qua tiêu ổn định nhƣ mô phần mềm Matlap ta thấy đƣợc tác động ộ lọc LCL với chất lƣợng điện n ng ngõ hệ thống thông số ộ lọc thay đổi theo thời gian vận hành, ảnh hƣởng thông số điều khiển Từ đề xuất phƣơng pháp tổng quát để thiết kế hệ thống với thông số điều khiển phù hợp dựa hàm truyền an đầu nhƣng tính đến ảnh hƣởng tham số hệ thống thay đổi Phƣơng pháp t ng hiệu suất độ ổn định cho hệ thống vận hành Kết ài luận cho thấy hiệu suất hệ thống nhạy cảm với tham số điều khiển ta đạt đƣợc hiệu suất tốt với ộ điều khiển thông thƣờng hệ số điều khiển đƣợc xác định xác tham số hệ thống thay đổi Các kết mô cho thấy phƣơng pháp đề xuất vƣợt trội phƣơng pháp có Hƣớng phát triển đề tài : Tiếp tục nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện n ng hệ thống điều kiện có thêm thay đổi từ ộ LCL phía máy phát Đề xuất giải thuật xác định hệ số điều khiển tối ƣu điều kiện tham số phía lƣới phía máy phát thay đổi 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Trung Nhan et al "A simple and robust method for designing a multi-loop controller for three-phase VSI with an LCL-filter under uncertain system parameters," Electric Power Systems Research Vol 117, pp 94-103, 2014 [2] Nguyen Trung Nhan et al "Generalised design method for improving control quality of hybrid active power filter with injection circuit," IET Power Electronics Vol 7.5, pp 1204-1215, 2014 [3] Joost Sissingh and Eric Arends “Wind Energy Potential VietNam,”Baseline Study wind Energy Vietnam Vol 277, 2018 [4] Ake Larsson The power quality of wind turines Sweden: Chalmers University Of Technology, 2000 [5] Usman Zafar.“Literature Review of Wind Turbines,” Presented at the ResearchGate, 11/2018 [6] IEEE Standard 519-2014 “IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems,” 2014 [7] Malik K et al “Impact Study of Wind Generation on power quality of Electrical Power Grid (Jordan Wind Farm Case Study),” Presented at the IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, Tafila technical university, Jordan 2017 [8] Lorenzo Fagiano et al “High-Altitude Wind Power Generation,” IEEE Transactions on Energy Conversion, April 2010 [9] Duong Quang Thanh “Annual report 2018,” EVN VietNam Electronic, 2018 [10] Prakashdeep Bldg et al “Introdiction to wind power,” The English Press, Vol 4735, pp 22 2011 [11] Kent H Sø rink “Power Quality Improvements of Wind Farms,” Fredericia Vol 87, June 1998 105 [12] E Muljadi et al “Fixed-Speed and Variable-Slip Wind Turbines Providing Spinning Reserves to the Grid,” IEEE Power and Energy Society General Meeting, Vancouver, British Columbia July 21–25, 2013 [13] Arthouros Zervos “Renewables Global Status Report,” REN21 Vol 978-39818911-7-1 Paris 2019 [14] Fritz Santjer and Gerhard J Gerdes “Wind tur ine grid conection and interaction,” Ebertstraße Vol D-26382, pp 96 Wilhelmshaven United Kingdom.European Communities, 2001 [15] Andreas Binder and Tobias Schneider “Permanent magnet synchronous generator for regenerative energy conversion,” Darmstadt University of Technology Vol D-64283, Darmstast, Germany [16] Ajith Tennakoon et al “Dou ly-Fed Induction Generators for wind power generation,” ResearchGate Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Peradeniya, SriLanka, January 2015 [17] Rik W De Doncker “Doubly fed induction generator systems for wind turbines,” IEEE Industry Applications Magazine, February 2015 [18] A KILK “Low speed permanent magnet synchronous generator for small scale wind power applications,” Tallinn University of Technology Vol 0208-189X, Ehitajate Rd., 19086 Tallinn, Estonia.2007 [19] Anjana Jain et al “Power Generation Using Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Based Variable Speed Wind Energy Conversion System (WECS): An Overview,” Journal of Green Engineering Vol 74, pp 477– 504 2018 [20] Nguyen Trung Nhan and Nguyen Thi Hanh “A novel method for designing the controller of a LCL filter based grid connected inverter with considering varying system paramaters,” in Journal of Scıence and Technology Pp.3951, 2016 [21] Mustafa Dursun and M Kenan Dosoglu “LCL Filter Design for Grid Connected Three-Phase Inverter,” Presented at the Department of Electrical and Electronics Engineering University of Duzce Duzce, Turkey, 2019 106 [22] Remus Teodorescu et al “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems,” Presented at the Wiley, 2011 [23] Liserre A T M et al “Evaluation of current controllers for distributed power generation systems,” IEEE T Power Electric Vol 24, pp 654-664, 2009 [24] Safigianni A et al “Mixed distributed generation technologies in a medium voltage network,” Electr Power Syst Res Vol 96 , pp.75-80, 2013 [25] Pandi V R et al “Optimal penetration levels for inverter-based distributed generation considering harmonic limits,” Electr Power Syst Res Vol 97, pp 68-75, 2013 [26] Nguyen Trung Nhan and Luo A “Multifunction converter based on Lyapunov function used in a photovoltaic system,” Turk J Elec Eng & Comp Sci Vol 22, pp.893-908, 2014 [27] Liu Q et al “A novel design and optimization method of an LCL filter for a shunt active power filter,” IEEE T Ind Electr Vol 61, pp 4000-4010, 2014 [28] Figueres E et al “Sensitivity study of the dynamics of three-phase photovoltaic inverters with an LCL grid filter,” IEEE T Ind Electr Vol 56, pp 706-717, 2009 [29] Wu W et al “A new design method for the passive damped LCL and LLCL filter-based single-phase grid-tied inverter,” IEEE T Ind Electr Vol 60, pp 4339-4350, 2013 107 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên : Quách Huỳnh Tân Giới tính: Nam Ngày, tháng, n m sinh : 20/11/1989 Nơi sinh: Bến Tre Email Điện thoại: 0765041667 : quachhuynhtan@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 2012 : Tốt nghiệp ngành Điện công nghiệp, trƣờng đại học Cơng Nghiệp Tp HCM III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2012-2014 Scansom Viet Nam Maintenance Leader 2014-2016 On semiconductor Equipment Engineer 2016-2019 Samsung Complex Production Engineer On semiconductor Senior Engineer 2020 Tp HCM, ngày tháng Năm 20 Ngƣời khai 108 ... TÀI: Đánh giá ảnh hƣởng tham số cấu trúc đến chất lƣợng điều khiển iến tần nối lƣới dùng n ng lƣợng gió NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu n ng lƣợng gió xây dựng mơ hình tốn cho máy phát điện gió Đánh. .. Đánh giá yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện n ng hệ thống KẾT QUẢ DỰ KIẾN : Đánh giá tác động tham số cấu trúc điều khiển đến chất lƣợng hệ thống  Đề xuất thuật toán xác định tham số điều khiển. .. kết nối hệ thống, xây dựng mơ hình tốn cho ộ điều khiển VSI – LCL, phân tích ảnh hƣởng tham số cấu trúc tham số điều khiển đến chất lƣợng hệ thống, đề giải thuật để xác định vùng giá trị tham số