Ứng dụng logic mơ điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép 25

Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO TUABIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP Lê Kim Anh* TÓM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn lượng tái tạo nói chung nguồn lượng gió nói riêng để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây nhiễm mơi trường Để điều khiển tuabin gió vận hành tối ưu với vận tốc gió định, hệ thống phải tự điều chỉnh theo thay đổi vận tốc hướng gió Cơng nghệ sử dụng điều khiển kinh điển gặp nhiều hạn chế hệ thống điều khiển tự điều chỉnh Bài báo đưa kết mô điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator – DFIG) theo giải thuật logic mờ nhằm trì công suất phát tối đa hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống Từ khóa: Năng lượng gió; tuabin gió; tuabin gió nối lưới; máy phát điện khơng đồng nguồn kép; logic mờ CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR WIND TURBINE FOR GRID CONNECTING USING FUZZY LOGIC ABSTRACT The research of using and exploiting effectively renewable energy sources in general and solar energy sources to generate electricity is meaningful to reduce the climate change and dependance on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution For the purpose of operating efficiently of wind turbine at a certain wind velocity, the system must function and be self-adjusted to the change of wind speed and direction Controlling technology based on classical controllers still have many drawbacks in self-adjusted controlling The article gives the result of modulating grid-connected control of an integrated wind turbine using Doubly Fed Induction Generator (DFIG), applied fuzzy logic algorithm to maintain maximum capacity of the systems with disregard of connected power loads Key words: Wind energy; Wind Turbine; grid connected wind turbine; Induction Generator; Fuzzy logic GV Khoa điện – điện tử, Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa Tỉnh Phú Yên Email:tdhlekimanh@gmail.com 84 Doubly Fed Ứng dụng logic Đặt vấn đề Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo nói chung nguồn lượng gió nói riêng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng lượng gió nước ta lớn Theo số liệu ngân hàng giới, tiềm gió Việt Nam (ở độ cao 65m) khả quan, ước đạt 513.360MW, lớn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La 10 lần tổng công suất dự báo ngành điện đến năm 2020 Theo [1], nguồn lượng tiềm đáng kể khai thác bổ sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay dần nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, cải thiện môi trường sống mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Việc ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt nguồn lượng tái tạo Bảng Tiềm gió Đơng Nam Á độ cao 65m[1] Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) bao gồm thành phần bản, hình Hệ thống tuabin gió, với phía stator nối trực tiếp lưới điện, phía rotor nối qua hai biến đổi Bộ biến đổi phía rotor (AC/DC) cho điện áp chiều (DC), biến đổi phía lưới (DC/AC) đưa điện áp xoay chiều (AC) nối lưới, hai biến đổi liên hệ với thơng qua mạch chiều trung gian 85 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện DFIG [2] 2.1 Nguồn gió Theo [3], lượng gió nguồn lượng chuyển động khơng khí với vận tốc thời gian định Theo định luật Betz (nhà vật lý người Đức – Albert Betz 1885 – 1968) động lực học khí lượng gió khơng thể chuyển tất sang loại lượng khác Cơ E khối lượng khơng khí m chuyển động với vận tốc v là: Công suất P thu phụ thuộc vào khối lượng khơng khí chuyển động, vận tốc gió, mật độ khơng khí ρ, tiết diện A vịng quay cánh quạt 2.2 Mơ hình tuabin gió Theo [4], cơng suất tuabin gió tính theo biểu thức: A v (3) Pm C p ( , ) 86 Ứng dụng logic Trong đó: Pm: Công suất đầu tuabin (W); Cp(λ,β): Hệ số biến đổi lượng (là tỷ số tốc độ đầu cánh λ góc cánh β); A: Tiết diện vòng quay cánh quạt (m2); ρ: Mật độ khơng khí, ρ = 1.255 (kg/m3) Từ biểu thức (3) ta thấy vận tốc gió yếu tố quan trọng công suất; công suất đầu tăng theo lũy thừa vận tốc Hệ số biến đổi lượng Cp(λ, β) biểu thức (3) theo [5], tính sau: Đường cong biểu diễn mối quan hệ Cp λ, hình Như ta biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió tốc độ là: ω tốc độ quay R v tuabin, R bán kính tuabin, v vận tốc gió Mơmen tuabin gió tính sau: Mặt khác, tuabin gió vận hành theo quy tắc điều khiển khác tùy thuộc vào tốc độ gió Đường cong biểu diễn mối quan hệ Pm vận tốc gió (v), hình Hình Đường cong mối quan hệ Pm v[5] 87 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Từ biểu thức (3), (4), (5), (6) phân tích trên, mơ hình tuabin gió xây dựng Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, tốc độ máy phát điện thông số đầu mơmen, hình Hình Mơ hình tuabin gió 2.3 Mơ hình máy phát điện DFIG Mơ hình máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) có hai loại hệ trục tọa độ sử dụng: Hệ tọa độ αβ gắn cố định với stator hệ tọa độ dq gọi hệ tọa độ tựa theo điện áp stator, lựa chọn để phát triển mơ phát triển thuật tốn điều khiển cho máy phát điện không đồng nguồn kép, hình Trong đó: ωs: tốc độ góc stator, ωr: tốc độ góc mạch điện rotor (ωr= ωs- ωm), ωm: tốc độ góc rotor Theo [6], phương trình điện áp stator rotor hệ tọa độ dq tính sau: Mặt khác, từ thông stator rotor biểu thức (7) (8) tính sau:  s is Ls ir Lm (9)  r ir Lr is Lm (10) với Lm: hỗ cảm hai cuộn dây stator rotor Ls, Lr: điện cảm stator rotor Từ biểu thức (7), (8), (9) (10) phân tích trên, ta viết lại sau: 88 Ứng dụng logic L (13) : hệ số tản toàn phần Các biểu thức (11), (12) viết theo thành rs LL phần d q cho dòng điện rotor từ thông stator sau: với 1 m Với:a Theo [7], mômen máy phát điện (DFIG) hệ tọa độ dq tựa theo điện  áp stator (ψsd = 0) tính sau: với Pc: số đôi cực Công suất phản kháng Mặt khác, việc hiệu chỉnh cơng suất phản kháng thực hiệu chỉnh hệ số công suất Từ biểu thức (18),(19) (20) ta thấy mômen điện từ công suất phảng kháng điều chỉnh thơng qua dịng điện rotor (ird, irq), hình sơ đồ nối lưới sử dụng điều khiển PI kinh điển cho máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) 89 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Xây dựng điều khiển mờ Việc xây dựng điều khiển mờ dựa vào sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mờ, hình gồm khối: khối mờ hóa, khối hợp thành, khối luật mờ khối giải mờ 3.1 Bộ điều khiển PI mờ cho dịng điện (ird) Như phân tích tên, mơmen công suất phản kháng điều chỉnh thông qua dòng điện rotor (ird, irq) Theo [8], điều khiển PI mờ cho dòng điện rotor (ird), sử dụng hàm liên thuộc Trapmf cho tập mờ ngõ vào ngõ Tín hiệu sai lệch ngõ vào bao gồm tập mờ NL, S, PL (Negative large, Small, Possitive large) với tập giá trị tập mờ ngõ vào, hình 90 Ứng dụng logic Tín hiệu ngõ bao gồm tập mờ NL, S, PL (Negative large, Small, Possitive large) với tập giá trị mờ, hình 10 Luật suy diễn mờ if…then sử dụng để điều chỉnh linh hoạt hệ số KP, KI theo quy luật sau: if sai số nhỏ (S) then KP, KI bé (S); if sai số lớn mang giá trị âm (NL) then KP, KI lớn (NL); if sai số lớn mang giá trị dương (PL) then KP, KI lớn (PL) Giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid cho hệ số KP, KI , hình 11,12 3.2 Bộ điều khiển PI mờ cho dòng điện (irq) Theo [8], điều khiển PI mờ cho dòng điện rotor (irq), tương tự điều khiển PI mờ cho dòng điện rotor (ird), khác giá trị tập mờ ngõ vào tập mờ ngõ Luật hợp thành if…then kỹ thuật giải mờ centroid, hình 13 91 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Tín hiệu ngõ bao gồm tập mờ NL, S, PL (Negative large, Small, Possitive large) với tập giá trị mờ, hình 14 Giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid cho hệ số KP, KI , hình 15,16 92 Ứng dụng logic Xây dựng mơ hình mơ Matlab - Simulink 4.1 Xây dựng mơ hình Matlab - Simulink Xây dựng hệ thống điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) Matlab – Simulink dựa vào sơ đồ hình 7, thay điều khiển PI kinh điển điều khiển mờ (ird, irq), hình 17,18 93 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 4.2 Kết mơ Matlab - Simulink 4.2.1 Mô sử dụng điều khiển PI kinh điển Kết luận Qua kết mô ta thấy, ứng dụng logic mờ để điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) phát huy đối đa công suất phát tuabin, thời điểm t ≥ 0.1s đóng tải nối lưới, ta thấy giá trị dịng điện, điện áp cơng suất ln đạt giá trị đặt Bộ điều khiển mờ tự điều chỉnh giá trị hệ thống làm việc trạng thái ổn định so với khơng dùng điều khiển mờ Mơ hình điều khiển nối lưới nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo 94 Ứng dụng logic TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Danh Liên, 2008, Tiềm năng lượng gió Việt Nam khả ứng dụng, Trung tâm nghiên cứu lượng mới, Trường Đại học bách khoa Hà Nội [2] Martin Kanálik, Frantisek Lizák,2005, Possibilities of Distributed Generation Simulations Using by Matlab, 51707-IC-1 [3] Roohollah Fadaeinedjad, Gerry Moschopoulost, and Mehrdad Moallemt,2006, Simulation of a Wind Turbine with Doubly-Fed Induction Machine Using FAST and Simulink, IEEE [4] Tao Sun, 2004, Power Quality of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG and Their Interaction with the Grid, Institute of Energy Technology Aalborg University, Denmark May [5] Yazhou Lei, Alan Mullane, Gordon Lightbody, and Robert Yacamini,2006, Modeling of the Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies, IEEE [6] B.Chitti Babu, K.B.Mohanty,2010, Doubly-Fed Induction Generator for Variable Speed Wind Energy Conversion Systems - Modeling & Simulation,International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 2, No [7] Zhe Chen, 2011, DFIG Fault Ride Through Control, Department of energy technology, May 30 [8] Evgenije Adzic, Zoran Ivanovic, Milan Adzic, Vladimir Katic, 2009, Maximum Power Search in Wind Turbine Based on Fuzzy Logic Control, Acta Polytechnica Hungarica, Vol 6, No 95 ... Tiềm gió Đơng Nam Á độ cao 65m[1] Hệ thống điều khiển nối lưới tuabin gió sử dụng máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) Theo [2], hệ thống điều khiển nối lưới tuabin gió sử dụng máy phát điện. .. quốc gia Việc ứng dụng logic mờ điều kiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt nguồn lượng... Kết mơ Matlab - Simulink 4.2.1 Mô sử dụng điều khiển PI kinh điển Kết luận Qua kết mô ta thấy, ứng dụng logic mờ để điều khiển nối lưới cho tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép