Bài viết đề cập đến vấn đề ổn định công suất đầu ra của máy phát điện tuabin gió khi vận tốc gió đầu vào thay đổi. Đối tượng nghiên cứu là cấu trúc mô hình tuabin gió loại hai với máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn.
Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐIỀU KHIỂN GIỚI HẠN CƠNG SUẤT ĐẦU RA TUA BIN GIĨ LOẠI II KHI VẬN TỐC GIÓ ĐẦU VÀO THAY ĐỔI Nguyễn Thị Thu Hương* Tóm tắt: Bài báo đề cập đến vấn đề ổn định công suất đầu máy phát điện tuabin gió vận tốc gió đầu vào thay đổi Đối tượng nghiên cứu cấu trúc mơ hình tuabin gió loại hai với máy phát điện khơng đồng rotor dây quấn Để công suất đầu máy phát điện ổn định tốc độ gió thay đổi cách điều chỉnh hệ thống điện trở phụ mắc thêm với cuộn dây rotor máy phát Giá trị điện trở roto máy phát điều chỉnh phù hợp điều khiển PI Các kết phân tích cho thấy, tốc độ gió vượt q 14 m/s mà có điện trở phụ thêm vào cuộn dây rotor máy phát điện cơng suất đầu máy phát giữ ổn định Mô hình mơ xây dựng dựa phần mềm PSCAD Từ khóa: Bộ điều khiển tích phân - tỉ lệ; Công suất đầu ra; Ổn định công suất; Tua bin gió loại II ĐẶT VẤN ĐỀ Đứng trước thách thức thiếu hụt điện năng, với việc nguồn lượng truyền thống ngày cạn kiệt nên nguồn lượng tái tạo ngày trọng phát triển [1-2] Trong đó, gió dạng lượng sạch, vô tận Ngày nay, hệ thống tuabin gió sử dụng rộng rãi nhiều nước Các tuabin gió chuyển đổi động bên tuabin gió thành năng, đưa đến máy phát điện chuyển đổi thành điện [3-8], [13, 18, 20] Tuabin gió có bốn loại, báo nghiên cứu mơ hình tuabin gió loại II, có sơ đồ cấu trúc hình 1: Điện trở biến đổi Máy biến áp Lưới điện Hệ thống truyền động Gió Máy phát điện Bộ biến đổi cơng suất Hệ thống tụ bù Hình Sơ đồ cấu trúc mơ hình tuabin gió loại II Tính tốn λ Tính tốn mơ men Mơ hình mơ men tuabin mơ men máy phát, [10] Hình Cấu trúc mơ hình khối tuabin gió loại II, xây dựng PSCAD Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 29 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong tuabin gió loại II, sử dụng máy phát điện không đồng rotor dây quấn, cuộn dây rotor máy phát điện kết nối với hệ thống điện trở biến đổi nhằm để điều khiển dòng điện roto với đặc tính tốc độ tương ứng với mơ men định Khi tốc độ gió thay đổi theo hướng tăng ổn định cơng suất đầu máy phát điện nhờ có điều khiển PI điều chỉnh hệ thống điện trở phụ Cấu trúc mơ hình khối tuabin gió loại II xây dựng phần mềm PSCAD rõ hình 2 MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIĨ 2.1 Mơ hình hóa tuabin gió Việc mơ hình hóa tuabin gió xuất phát từ việc xác định cơng suất gió sở tính tốn sau: 1 3 Pwind = AVwind = R 2Vwind (1) 2 Công suất chuyển đổi qua rotor tuabin gió: Pextract = C p Pwind = C p ( R2Vwind ) (2) Momen quay trục rotor tuabin gió tính: T= Pextract rotor = R2C pVwind 2rotor (3) đó, thành phần Pwind cơng suất tuabin gió, thành phần ρ mật độ khơng khí, A diện tích mà gió qt qua, Vwind vận tốc gió, R bán kính vịng qt tuabin gió, Cp hiệu suất chuyển đổi lượng gió từ đầu vào tới đầu tuabin gió Qua tính tốn giá trị lớn hiệu suất chuyển đổi 59,26% Tuy nhiên, thực tế hiệu suất chuyển đổi đạt giá trị khoảng 25% đến 45% tính tốn theo biểu thức [10, 21]: C p ( , ) = c1 (c2 = + 0,08 R = rotor Vwind − − c3 − c4 x − c5 )e − c6 0,035 1+ (4) (5) (6) đó, θ góc pitch, λ tỉ số vận tốc rìa, c1 = 0,5; c2 = 116; c3 = 0,4; c4 = 0; c5 = c6 = 21 2.2 Mơ hình hóa truyền động Hình Sơ đồ sơ đồ thay truyền động [7] 30 Nguyễn Thị Thu Hương, “Điều khiển giới hạn công suất đầu … gió đầu vào thay đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bộ truyền động sử dụng để truyền công suất từ rotor đến máy phát, bao gồm trục truyền động rotor (trục tốc độ thấp), trục truyền động máy phát (trục tốc độ cao) hộp số Hình mơ tả cấu trúc thực sơ đồ thay truyền động Các phương trình động học truyền động: dT JT = TT − Deqv (T − gen ) − Keqv (T − gen ) (7) dt dgen (8) J gen = −TT + Deqv (T − gen ) + Keqv (T − gen ) dt Drq 1 1 = + ; JT = J rot ;TT = Trot ; Deqv = Keq Keqv K gen K gear K gear K gear (9) K gear đó, TT; Tgen thành phần mơmen tuabin máy phát, JT; Jgen mơmen qn tính tuabin máy phát Thành phần Krq, Kgear, Kgen tương ứng độ cứng xoắn trục rotor, hộp số trục máy phát, Drq, Dqg: tương ứng hệ số giảm xóc trục rotor trục máy phát 2.3 Mơ hình hóa máy phát điện Mạch điện rotor dây quấn sơ đồ thay máy phát điện trình bày hình Hình Mơ hình máy phát điện mạch điện tương đương quy đổi phía stator [8] Trong đó, Rex điện trở bên ngồi để tiêu tán tiêu tán bớt công suất phát máy phát điện tốc độ gió tăng lên để giữ cho công suất đầu máy phát điện ổn định Ta có [11]: N Rex' = a2 Rex với a = (10) N2 R2' = a2 R2 R2' eqv = R2' + Rex' Te = '2 ' eqv p p I R 1 Te p p s (11) (12) với s = R2' eqv s.1 ( Rs + R2' eqv 2 1 vs2 / s) + 12 ( L1 + L'2 )2 (13) (14) Vậy để đạt giá trị mong muốn mơ-men xoắn nhiều tốc độ gió khác cách thay đổi điện trở rotor bên Rex 2.4 Bộ điều khiển điện trở rotor Bộ điều khiển PI nhằm giảm thiểu sai số biến trình đo giá trị tham chiếu mong muốn Việc sử dụng điều khiển PI đơn giản [12], hoạt động điều khiển dựa Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 31 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử hai đại lượng đo được: công suất thực đầu dòng điện rotor Bộ điều khiển sử dụng hai vòng lặp: vịng ngồi để điều khiển cơng suất thực đại lượng thay đổi tương đối chậm vòng đọc đầu điều khiển vịng ngồi để điều khiển dịng rotor thay đổi nhanh chóng Sơ đồ điều khiển điện trở rotor dây quấn Rex thông qua hai điều khiển PI thể hình (-) Pref + Pactual Perr Iref PI1 Ierr + (-) PI2 Rex Tuabin gió Iactual Hình Sơ đồ điều khiển điện trở rotor dây quấn Rex Khi đó, điều khiển PI1, PI2 xác định sau, theo hệ phương trình (15) (16) theo [12] : (15) (16) đó, Kp1, Kp2 Ki1, Ki2 độ lợi tỉ lệ độ lợi tích phân điều khiển Cần chọn lựa giá trị {K p1 , Ki1},{K p , Ki } thỏa mãn yêu cầu chất lượng điều khiển Trong báo xác định thông số điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols phần mềm PID Design, [13, 22] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bài tốn thực nghiệm: Tuabin gió: Vwind = – 25 m/s; ρ = 1,225 kg/m3; Rrotor = 36 Ωm Bộ truyền động có thơng số: Jrot = 4940500 kgm2; Jq2 = 16,73 kgm2; Jgen = 82,62 kgm2; Krq1 = 97789000 Nm/rad; Kq2g = 2930000 Nm/rad; Drot = Nms/rad; Dq2 = 2,375 Nms/rad; Dgen = Nms/rad; Drq1 = 13446 Nms/rad; Dq2g = 30,48 Nms/rad; Rq = 70,2Ω; f = 60 Hz; p = Máy phát có công suất định mức Pgen = 1,5 MW 3.1 Các thơng số đo cơng suất đầu ra, dịng điện rotor, giá trị điện trở Rex, tổn thất cơng suất điện trở Rex Hình Kết mơ PSCAD với tốc độ gió khác 32 Nguyễn Thị Thu Hương, “Điều khiển giới hạn công suất đầu … gió đầu vào thay đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Kết mô với tốc độ gió khác phần mềm PSCAD ta thu hình Các thơng số đo cơng suất đầu (Pout, Qout), dịng điện rotor (I2), giá trị điện trở Rex, tổn thất công suất PLoss bảng Bảng Bảng tham số đo công suất đầu ứng với giá trị vận tốc gió thay đổi giá trị điện trở Rex cần thêm vào hệ thống Vwind Pout Qout Rex I2 PLoss m/s MW MVAr Ω kA(RMS) kW 0,00 0 0 0,07 -0,2520 0,0220 0,24 -0,2556 0,0781 0,48 -0,2675 0,1554 0,74 -0,2902 0,2414 10 1,00 -0,3222 0,3251 11 1,21 -0,3567 0,3959 12 1,37 -0,3872 0,4491 13 1,47 -0,4071 0,4808 14 1,50 -0,4158 0,4938 15 1,50 -0,4166 0,0140 0,4966 10,362 16 1,50 -0,4164 0,0433 0,4966 32,037 17 1,50 -0,4163 0,0872 0,4964 64,504 18 1,50 -0,4154 0,1295 0,4967 95,859 19 1,50 -0,4152 0,1779 0,4972 131,765 20 1,50 -0,4161 0,2335 0,4966 172,778 21 1,23 -0,3596 0,2335 0,4029 113,713 Nhận thấy, Vwind < 14 m/s cơng suất đầu máy phát nhỏ 1,5 MW; Vwind = 14 m/s cơng suất đầu máy phát điện 1,5 MW; Vwind > 14 m/s cần thêm Rex để cơng suất đầu máy phát ổn định giá trị 1,5 MW Hình Kết mơ PSCAD tốc độ rơto máy phát so với tốc độ gió So sánh với kết mơ tuabin gió loại II Matlab [8] tương đồng với kết nhận mô phần mềm PSCAD với số lượng có tuabin gió Các kết cịn cho thấy, tốc độ rơto tốc độ máy phát điện có thay đổi tốc độ gió thay đổi Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 74, - 2021 33 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử từ m/s đến 25 m/s Tại thời điểm sau 14 m/s giá trị thay đổi thấy rõ ràng đường cong có chiều hướng quay trở lại vị trí ban đầu làm việc ổn định 3.2 Đường cong công suất tuabin gió Sau tính tốn thiết lập thống kê bảng 1, ta có đường cong cơng suất tuabin gió hình Hình Đường cong cơng suất tuabin gió với tốc độ gió từ mm/s đến 21 mm/s Đường cong cơng suất tuabin gió phẳng tốc độ gió cao định mức Kết cho thấy, điều khiển PI sử dụng công suất đo dòng điện rotor làm biến đầu vào giải pháp đáng tin cậy Các kết khảo sát mô chứng minh tính đắn mơ hình nghiên cứu tính tốn xây dựng, xem xét ảnh hưởng nguồn công suất đến chất lượng động học hệ thống điều khiển tính đến vấn đề ổn định công suất đầu máy phát điện tuabin gió vận tốc gió đầu vào thay đổi KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu xây dựng mơ hình tuabin gió loại II với máy phát điện không đồng rotor dây quấn tốc độ gió thay đổi đem lại ổn định công suất đầu máy phát điện cách điều chỉnh điện trở mắc thêm với cuộn dây rotor máy phát thông qua độ điều khiển PI Các kết thu cho thấy tính đắn mơ hình nghiên cứu Như nghiên cứu [17, 18, 20] kết báo phần thể xác kết nghiên cứu tốt so với nghiên cứu trước Tuy nhiên, tuabin gió loại II tồn nhược điểm tự ổn định điện áp đầu máy phát Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng mơ hình tuabin gió loại III loại IV kết hợp với biến đổi AC/DC DC/AC (đây định hướng nghiên cứu tác giả) TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Phùng Quang, “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, (2006) Trương Minh Tuấn, Đồn Đức Tùng, “Giáo trình Hệ thống cung cấp điện”, NXB Xây dựng, (2016) Hồ Phạm Huy Ánh, Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Văn Tài, Phạm Đình Trực, Nguyễn Quang Nam, Trần Công Binh, Phan Quang Ấn, “Kỹ thuật hệ thống lượng tái tạo”, NXB Đại học Quốc gia TPHCM, (2018) [4] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, “Cơ sở lượng tái tạo”, NXB Khoa học Kỹ thuật, (2020) [5] N.V Tuan, “Wind Turbine Modeling course”, organized by CESTED center of VEF USA, 2020 [6] P Gevorkian, “Solar Power Generation Problems”, Solution & Monitoring, Cambridge, 2017 [7] J M a A R J Manwell, “Wind Energy Explained: Theory, Design and Application”, John Wiley & Sons, 2002 [8] A D H P S a F B Florin lov, “Wind Turbine Blockset in Matlab/Simulink”, Aalborg University, March 2004 [9] K H Nam, “AC Motor Control and Electrical Vehicle Applications”, CRC Press, Second Edition, 2019 [10] C B B P A E E Muljadi, “Characteristics of Variable Speed Wind Turbines Under Normal and [1] [2] [3] 34 Nguyễn Thị Thu Hương, “Điều khiển giới hạn công suất đầu … gió đầu vào thay đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Fault Conditions”, IEEE Power Engineering Society General Meeting, pp 1-7, 2007 [11] R S O H S - Ramirez, “Control design techniques in power electronics devices”, IEEE transactions on smart grid, pp 75-88, 2017 [12] NREL, “Dynamic Models for Wind Turbines and Wind Power Plants (NREL/SR-5500-52780)”, October 2011 [Online] Accessed February 2021 [13] J M a M Moradi, “PID Control - New Identification and Design Methods”, Springer - Verlag London Limited, 2005 [14] David A Rivkin, “Advanced Generator Design for Wind Turbines”, publishing by Springer, Berlin, Heidelberg, 2015 [15] Lucian Nicolae Tutelea, Sorin Ioan Deaconu, Nicolae Budisan, Ion Boldea, “Double Stator Winding Induction Generator for Wind and Hydro Applications: 2D-FEM Analysis and Optimal Design”, Conference: Power Electronics and Applications (EPE), 2014 [16] Akinrinde, A.; Swanson, A.; Tiako, R “Dynamic Behavior of Wind Turbine Generator Configurations during Ferroresonant Conditions”, 12, 639 Energies 2019 [17] Mikel de Prada, Jos´e Luis Dom´ınguez–Garc´ıa, Fernando Mancilla–David, Eduard Muljadi,Mohit Singh, riol Gomis–Bellmunt, and Andreas Sumper, “Type–2 Wind Turbine with Additional Sub– Synchronous Resonance Damping”, pp 226-232, IEEE Green Technologies Conference, 2013 [18] L.J OntiverosP.E MercadoG.O Suvire, “A new model of the double-feed induction generator wind turbine”, Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America (T&D-LA), 2011 IEEE/PES [19] Li, S.; Yu, X.; Fridman, L.; Man, Z.; Wang, X (Eds.) “Advances in Variable Structure Systems and Sliding Mode Control Theory and Applications; Ser Studies in Systems, Decision and Control”; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, Volume 115, 2018 [20] Juan I Talpone, Paul F Puleston, Marcelo G Cendoya and José A Barrado-Rodrigo, “A DualStator Winding Induction Generator Based Wind-Turbine Controlled via Super-Twisting Sliding Mode”, pp 1-20, Energies 2019 [21] Bu, F.; Liu, H.; Huang, W.; Xu, H.; Hu, Y “Recent advances and developments in dual stator winding induction generator and system” IEEE Trans Energy Convers Vol 33, pp 1431–1442, 2018 [22] https://www.esig.energy/wiki-main-page/modeling-of-type-2-wind-turbine-generators/ ABSTRACT CONTROL LIMIT THE OUTPUT POWER OF THE TYPE II WIND TURBINE WHEN THE INPUT WIND SPEED VARIATIONS The article discusses the issue of stabilizing the output power of a wind turbine generator when the input wind speed changes The object of study is the model structure of Type - II with a rotor wound induction generator Control of power output of a Type-II turbine can be accomplished by varying the rotor resistance PI controller is used to calculate proper values of the rotor resistance to limit generated output of a wind turbine The results show that the wind speed exceeds 14 m/s, additional resistance is added to the generator rotor windings, the output power of the generator remained stable the nominated power Simulation model is built based on PSCAD software This control system has the advantages of compactness, safe working, reliability, stability, bringing more economic benefits than other control methods Keywords: Proportional- Integral controller; Output power; Power stabilizion; Wind Turbine- type - II Nhận ngày 16 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 17 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng năm 2021 Địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật Điện, Học viện Kỹ thuật quân * Email: huong82hvktqs@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 35 ... cơng suất tuabin gió, thành phần ρ mật độ khơng khí, A diện tích mà gió qt qua, Vwind vận tốc gió, R bán kính vịng qt tuabin gió, Cp hiệu suất chuyển đổi lượng gió từ đầu vào tới đầu tuabin gió. .. vịng lặp: vịng ngồi để điều khi? ??n công suất thực đại lượng thay đổi tương đối chậm vòng đọc đầu điều khi? ??n vịng ngồi để điều khi? ??n dịng rotor thay đổi nhanh chóng Sơ đồ điều khi? ??n điện trở rotor... xem xét ảnh hưởng nguồn công suất đến chất lượng động học hệ thống điều khi? ??n tính đến vấn đề ổn định cơng suất đầu máy phát điện tuabin gió vận tốc gió đầu vào thay đổi KẾT LUẬN Bài báo nghiên