(Luận văn thạc sĩ) điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phong điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HẰNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN S K C 0 9 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HẰNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2013 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu trường, tơi hồn thành đề tài tốt nghiệp cao học Có thành này, nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình thầy cơ, gia đình, quan bạn bè thời gian học tập vừa qua Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Thanh Phương Trường Đại học Kỹ thuật Cơng Nghệ TP.HCM, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kinh nghiệm để tơi hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn đến tất q Thầy Cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM trang bị cho lượng kiến thức bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho trình học tập thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè giúp đỡ cho nhiều để vượt qua khó khăn, tạo cho tơi niềm tin nỗ lực phấn đấu để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2013 Học viên thực NGUYỄN VĂN HẰNG HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương ii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục Lục iii Tóm tắt luận văn viii Danh sách hình ix Danh sách ký hiệu sử dụng luận văn xi Phần mở đầu .xv Chương 1.Tổng quan lượng gió 1.1 Hiện trạng phát triển Điện gió giới 1.1.1.Giới thiệu chung tình hình lượng 1.1.2 Tình hình phát triển lượng tái tạo 1.2 Kết nghiên cứu nước nước .4 1.2.1 Những nghiên cứu nước 1.2.2 Kết nghiên cứu nước .5 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu .6 1.5 Phương pháp nghiên cứu .6 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương iii Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Cấu tạo turbine gió 2.1.1 Các loại turbine gió 2.1.2 Cấu tạo hệ thống máy phát điện gió .8 2.1.3 Các dạng tháp 2.1.4 Cánh quạt trục cánh quạt 10 2.1.5 Động điều chỉnh cánh quạt điều khiển hướng turbine .11 2.1.6 Hệ thống hãm .12 2.1.7 Hộp số chuyển đổi tốc độ hệ thống điều khiển cánh quạt .12 2.1.8 Vỏ turbine 13 2.2 Mô hình ngun lý vận hành turbine gió 14 2.2.1 Mơ hình điều khiển turbine gió nguồn kép DFIG 14 2.2.2 Nguyên lý làm việc turbine gió 14 2.3 Phương pháp điều khiển mơ hình hệ thống turbine gió… 16 2.3.1 Phương pháp điều khiển hệ thống turbine gió cố định 16 2.3.2 Phương pháp điều khiển tutbine gió thay đổi tốc độ 17 2.3.3 Turbine gió máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) 19 2.3.4 Phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió .20 2.4 Điều khiển mờ .20 2.4.1 Cấu trúc điều khiển logic mờ .20 2.4.2 Phân loại điều khiển mờ 21 2.4.3 Các bước tổng hợp điều khiển mờ 22 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương iv Chương Xây dựng mơ hình tốn máy phát khơng đồng nguồn kép 25 3.1 Mơ hình khối turbine gió .25 3.2 Biểu diễn đại lượng pha sang đại lượng vector không gian 27 3.3 Quan hệ hệ trục tọa độ tĩnh α-β hệ trục tọa độ quay d-q 29 3.4 Quan hệ hệ trục tọa độ quay abc hệ trục tọa độ quay d-q 30 3.5 Mơ hình tốn máy phát điện (DFIG) hệ trục tọa độ tĩnh α-β 30 3.6 Mơ hình tốn máy phát điện (DFIG) hệ trục tọa độ quay d-q 33 3.7 Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát DFIG 36 3.7.1 Cơ sở lý thuyết việc điều khiển 36 3.7.2 Điều khiển độc lập công suất tác dụng cơng suất phản kháng 37 3.8 Mơ hình chuyển đổi 40 3.8.1 Hệ thống điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) 40 3.8.2 Hệ thống điều khiển biến đổi phía rotor (RSC) 43 3.9 Các đại lượng 47 Chương Thiết kế PID mờ điều khiển máy phát không đồng 49 4.1 Giới thiệu PID kinh điển 49 4.2 Trình tự thiết kế điều khiển PID mờ .50 4.3 So sánh kết mô điều khiển PID mờ khối 56 Chương Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển 58 5.1 Mơ hình điều khiển máy phát điện nguồn kép DFIG 58 5.1.1 Sơ đồ mơ hình mô Matlab/simulink 60 5.1.2 Mơ hình hệ thống khối Wind turbine Generator&Converters 61 5.1.3 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía lưới 61 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương v 5.1.4 Mơ hình tổng thể khối điều khiển hệ thống máy phát DFIG 63 5.1.5 Sơ đồ tổ máy phát chuyển đổi công suất 64 5.1.6 Mơ hình mơ khối điều khiển Wind DFIG - Grid 65 5.1.7 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía lưới 65 5.1.8 Mơ hình mơ khối điều khiển converter phía rotor .66 5.1.9 Mơ hình mơ khối máy phát không đồng 66 5.1.10 Mơ hình mơ khối Rotor máy phát 67 5.1.11 Khối biến đổi dịng điện cơng suất phía lưới 67 5.1.12 Khối bảo vệ hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG .68 5.2 Trình tự mô .68 5.2.1 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió 68 5.2.2 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió nhiều .73 5.2.3 Mơ đáp ứng turbine gió xảy cố…………………… 78 5.2.3.1 Mô lưới B25 (25kV) bị chạm đất pha….……… 78 5.2.3.2 Mô lưới B120 (25kV) bị sụt áp………………… 80 Chương Kết luận hướng phát triển đề tài 82 6.1 Kết luận .82 6.1.1 Các kết đạt đề tài 82 6.1.2 Hạn chế 82 6.2 Hướng phát triển đề tài 82 Tài liệu tham khảo 84 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương vi PHẦN MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, lượng gió trở thành nguồn lượng quan trọng đầy triển vọng việc sử dụng nguồn lượng tái tạo Trong nhiều lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước hướng đến sử dụng nguồn lượng tái tạo hạn chế phụ thuộc vào nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt ảnh hưởng mơi trường Trong loại hình lượng tái tạo, lượng gió trọng đặc biệt đặc điểm ưu việt sau: - Điện gió có giá thành thấp, thấp nguồn lượng tái tạo Nếu xem xét chi phí mơi trường, xã hội sức khỏe người vào giá thành điện gió cạnh trạnh với điện sản xuất từ nguồn nhiên liệu hố thạch - Điện gió tiết kiệm tài nguyên đất, phần lớn diện tích đất nhà máy phong điện sử dụng cho mục đích khác - Tài nguyên lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt vùng ven biển vùng đất trống, phát triển qui mơ lớn - Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn nhiều so với thời gian xây dựng dự án điện truyền thống điện hạt nhân hay nhiệt điện Ở Việt Nam, dù đánh giá có tiềm phát triển tốt, lượng gió cịn ngành mẻ Mọi thứ thuộc ngành bước khởi đầu Các văn pháp lý cho phát triển điện gió, thơng tin, kiến thức ngành mức hạn chế Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày cao, phải đối mặt với vấn đề an ninh lượng mơi trường việc phát triển sử dụng nguồn lượng sạch, có điện gió cần thiết Từ ưu việt trên, tác giả lựa chọn đề tài “Điều khiển máy phát không đồng nguồn kép hệ thống phong điện’’làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm phương pháp vận hành điều khiển truyền thống đến việc thay điều khiển truyền thống phương pháp điều khiển thông minh fuzzy logic HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương xv Tổng quan lượng gió Chƣơng 1: TỔNG QUAN NĂNG LƢỢNG GIĨ 1.1 Hiện trạng phát triển Điện gió giới 1.1.1 Giới thiệu chung tình hình lƣợng Mặc dù năm gần kinh tế giới có biến động to lớn mặt, từ việc suy thối tài chính, biến đổi khí hậu dẫn đến thiên tai, lũ lụt, động đất thường xuyên nhìn chung tranh kinh tế tài tồn cầu thập kỷ qua tăng trưởng Do mà nhu cầu sử dụng lượng ngày cao, nguồn lượng truyền thống ngày cạn kiệt, nguồn lượng tái tạo nước quan tâm rộng rãi Tỷ suất tăng trưởng toàn giới dạng lượng điện năm 1990-2000 là: lượng gió: 32%; lượng mặt trời: 20,1%; khí thiên nhiên: 1,6%; dầu mỏ: 1,2%; lượng nguyên tử: 0,6%; than đá: 1% Như tỷ suất tăng trưởng lượng tái tạo cao nhiều so với lượng truyền thống Trong điện gió có tốc độ tăng trưởng cao Cũng theo báo cáo Ủy ban Năng lượng Gió giới, tổng cơng suất điện gió lắp đặt năm 2010 194,5 GW, tăng 22,5% so với năm 2009 (với tổng công suất lắp đặt 159 GW) Năm nước đứng đầu phát triển điện gió gồm: Trung Quốc với tổng cơng suất lắp đặt 42,3GW, Mỹ 40, 2GW, Đức 27,2GW, Tây Ban Nha 20,7GW Ấn Độ 13GW.[1] 1.1.2.Tình hình phát triển lƣợng tái tạo sức gió số nƣớc - Đức: nước dẫn đầu phát triển điện gió Đến cuối năm 2003, tổng cơng suất lắp đặt điện gió nước Đức đạt đến 14,600MW, chiếm 1/3 công suất lắp đặt điện gió tồn giới, chiếm nửa tồn Châu Âu Lượng khí thải hiệu ứng nhà kính Đức năm gần giảm 17 triệu tấn, đóng góp rõ rệt nước Đức việc thực “Nghị định thư Kyoto”, tăng thêm lòng tin cho nước Đức phát triển bền vững Năm 2004, tổng lượng điện gió HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 1 Tổng quan lượng gió chiếm 5,3% tổng lượng điện toàn quốc, dự kiến đến năm 2010 chiếm đến 8% Nước Đức có quy hoạch dài hạn phát triển điện gió, mục tiêu đến năm 2025 đưa tỷ lệ lên 25%, đến năm 2050 50% Mặt khác, sách quan trọng tuyên bố vòng 30 năm, 19 nhà máy điện nguyên tử chiếm 30% lượng cung ứng điện bị đóng cửa - Đan Mạch: Là nước nhỏ Bắc Âu với diện tích 4,300km2, dân số khoản triệu dân mà có đến 65,000 người tham gia làm nghề điện gió; tổng thu nhập đạt đến tỷ Euro Nghề chế tạo máy phát điện gió Đan Mạch trở thành động lực lớn kinh tế, ví dụ thành cơng thương mại hóa lĩnh vực Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đầu tư 100 triệu USD vào công việc nghiên cứu phát triển lượng gió Chính phủ Đan Mạch bù lỗ cho máy phát điện gió 30% giá thành nó, áp dụng chế độ ưu đãi thuế cho người sử dụng điện gió, hộ dùng nhiên liệu hóa thạch đánh thuế nhiễm khơng khí Kết mục tiêu 10% lượng kế hoạch lượng thực sớm trước năm Năm 2003 lại đặt kế hoạch đến năm 2030 điện gió đáp ứng nửa yêu cầu điện Năm 2000 2003 năm xây dựng trang trại điện gió gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió biển Middle Grunder trang trại điện gió biển lớn giới nay, công suất lắp đặt 40MW gồm 20 máy, máy 2MW Năm 2008, Đan Mạch lắp đặt thêm trang trại điện gió, tổng cơng suất lắp đặt 750MW Theo tin đưa phủ Đan Mạch với xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng mặt biển Bantich số nhà máy phát điện gió có tổng cơng suất 4,000MW - Mỹ: sau thời kỳ ảm đạm điện gió thập kỷ 90 kỷ XX, đến nước Mỹ trở thành thị trường lớn điện gió Hiện 27 Bang có cơng trình điện gió lớn Đến cuối năm 2003 tổng cơng suất lắp đặt điện gió đạt 6,370MW Chính phủ Liên bang Mỹ có sách ưu đãi điện gió: mua thiết bị điện gió miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau đưa vào hoạt động miễn giảm phần thuế sản xuất, phát 1kWh giảm thuế 1,5cent USD Tại miền Tây nước Mỹ lắp đặt 450 máy phát điện gió cỡ lớn có HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Motor Speed (pu) 0.994 0.9935 0.993 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.21 Điện áp B120, B25, B575, công suất tác dụng, cơng suất phản kháng B25, điện áp dịng tải B2300, tốc độ Mag (% of Fundamental) 20 động có cơng suất 1,68MW 15 5.2.2 Mơ turbine gió đáp ứng với thay đổi vận tốc gió theo nhiều cấp Tốc độ gió ban đầu thiết lập 8(m/s) sau t=5s, tốc độ gió tăng 10 dần lên 9(m/s),10(m/s),11(m/s),12(m/s),13(m/s),16(m/s), ổn định 14(m/s) Thời 0gian mô dài T=100 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 Xem xét đáp ứng công suất turbine gió, thay đổi góc pitch lúc vận tốc gió thay đổi với việc sử dụng PID mờ Kết mô phỏng: Tốc độ máy phát, vận tốc gió, góc pitch turbine Speed (pu) 1.2 1.1 0.9 0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 Wind speed (m/s) 18 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) 16 14 20 12 10 15 10 20 30 40 50 Time (s) 60 Pitch angle (deg) 20 15 0 100 10 200 20 300 30 10 400 500 600 Frequency (Hz) 40 50 Time (s) 60 Hình 5.22 Tốc độ máy phát, vận tốc gió góc pitch turbine máy phát DFIG 20 ag (% of Fundamental) 10 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 73 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Nhận xét Tại t = 10s, công suất tạo bắt đầu tăng nhẹ (cùng với tốc độ turbine) đạt tới giá trị cơng suất 8MW khoảng 52s Tại t=61,1s tốc độ gió tốc độ định mức 14(m/s) nên góc pitch thay đổi từ 00 đến 2,890 để lượt bớt cơng suất gió Tại t=70s tốc độ gió thiết lập 14(m/s) lúc góc pitch cánh turbine 2,890 điều khiển giảm đến 0,760 để lượt bớt lượng thu vào tốc độ máy phát trì 1,21(pu) Cơng suất phản kháng điều khiển để trì điện áp (1pu) Tại cơng suất định mức, turbine gió hấp thụ 0,68 MVAR (tạo Q = -0,68 MVAR) để điều khiển trì điện áp (1pu) Điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp Vdc trung gian Pos.seq.V1-B575 (pu) 1.5 0.5 0 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 700 800 900 1000 70 80 90 100 800 900 Pos.seq I1-B575 (pu) Mag (% of Fundamental) 20 15 20 30 40 50 Time (s) 60 10 Generator P(MW) 10 20 Mag (% of Fundamental) 10 15 0 100 10 200 20 300 30 400 500 600 Frequency (Hz) 40 10 50 Time (s) 60 Generator Q (Mvar) -0.2 Mag (% of Fundamental) 20 -0.4 100 200 300 -0.6 15 -0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 20 (% of Fundamental) 10 400 500 600 Frequency (Hz) 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 1000 74 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Vdc(V) 1204 1203 1202 1201 1200 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.23 Điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp trung gian Vdc-link 20 Mag (% of Fundamental) Nhận xét: 15 Ban đầu điện áp B575 trì điện áp lưới Tại t=10s, tốc độ gió tăng 10 dần lên từ 8(m/s) đến 13(m/s) dịng điện tăng dần đạt giá trị 0,8pu Điện áp 5phát lên từ máy phát điện áp lưới Điện áp Vdc-link trung gian converter giữ ổn định gần điện áp 1200(V) sau 44(s) Tại t= 54s tốc độ gió thiết lập 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 16(m/s) vượt tốc độ định mức nên điện áp Vdc-link trung gian có dao động nhẹ ổn định tốc độ gió thiết lập tốc độ định mức 14(m/s), công suất tác dụng công suất phản kháng phát lên lưới gần giá trị định mức tổ máy phát ln giữ ổn định Dịng điện id-rotor Id-rotor (pu) 0.3 0.2 0.1 -0.1 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.24 Dạng sóng dịng điện id- rotor máy phát điện DFIG Dòng điện iq-rotor Mag (% of Fundamental) 20 Iq-rotor (pu) 15 -0.4 10 -0.6 -0.8 0 10 20 100 30 200 300 40 50 Time (s) 400 500 60 600 70 700 80 800 90 100 900 1000 (Hz) máy phát điện DFIG Hình 5.25 Dạng sóng dịng Frequency điện iq- rotor Mag (% of Fundamental) 20 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 75 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Moment điện từ máy phát điện DFIG Te (pu) -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.26 Dạng moment điện từ máy phát điện DFIG Nhận xét: Mag (% of Fundamental) 20 Khi vận tốc gió tăng, cơng suất tác dụng ngõ turbine gió gia 15 tăng tương ứng, nhiên turbine gió kết nối lưới thơng qua chuyển đổi cơng 10 suất nên cơng suất ngõ biến động Khi tốc độ gió thay đổi, góc pitch cánh thay đổi, nhiên nhờ kết nối lưới thông qua chuyển đổi nên góc pitch quạt biến động Chỉ tốc độ gió thay đổi giới hạn chuyển đổi, góc 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Frequency (Hz) pitch cánh quạt tác động để giảm bớt công suất ngõ vào Moment điện từ máy phát thay đổi theo tốc turbine nhận tốc gió định mức Điện áp bus B120, B25, B575, công suất tác dụng, công suất phản kháng B25, điện áp dòng tải B2300, tốc độ động có cơng suất 1,68MW Vabc-B120 (pu) 0.9998 0.9996 0.9994 0.9992 0.999 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 60 70 80 90 100 900 1000 Vabc-B25 (pu) 0.998 20 Mag (% of Fundamental) 0.996 15 0.994 100 10 20 30 40 0 100 200 300 20 Mag (% of Fundamental) 50 Time (s) 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 700 76 800 900 1000 Mơ hình kết mơ dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Vabc-B575 (pu) 1.0014 1.0012 1.001 1.0008 1.0006 1.0004 1.0002 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 60 70 80 90 100 P-B25 (MW) Mag (% of Fundamental) -2 20 -4 -6 15 -8 10 20 30 40 50 Time (s) 10 Q-B25 (Mvar) 1.5 Mag (% of Fundamental) 20 0 100 200 300 0.5 15 700 800 900 1000 10 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 700 800 900 70 80 90 100 V-Plant 2.3kV pos.seq.(pu) 0.999 100 200 300 0.998 20 Mag (% of Fundamental) 400 500 600 Frequency (Hz) 400 500 600 Frequency (Hz) 1000 0.997 15 0.996 10 20 30 40 50 Time (s) 60 100 10 Mag (% of Fundamental) Hình 5.27 Điện áp bus B120, B25, B575, công suất tác dụng, công suất phản kháng B25 20 0 100 200 I Plant pos.seq.(pu/2MVA) 300 15 0.968 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 70 80 90 700 800 900 80 90 1000 0.966 10 0.964 0.962 0 10 20 100 200 30 300 0.994 40 50 Time (s) 60 Motor Speed 400 500 (pu) 600 Frequency (Hz) 100 1000 Mag (% of Fundamental) 20 0.9935 15 0.993 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 100 10 Mag (% of Fundamental) Hình 5.28 Điện áp dòng tải B2300, tốc độ động công suất 1,68MW 20 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 77 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) 5.2.3 Mô đáp ứng turbine gió xảy cố 5.2.3.1 Mô lƣới B25 (25kV) bị chạm đất pha Khi turbine gió bị cố chạm đất pha B25 thời điểm t=5s, thời gian chạm đất chu kỳ Lúc hệ thống turbine gió DFIG vận hành mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulator” ta thấy điện áp B25 thời điểm t=5s, thời gian chạm đất chu kỳ Điện áp B575 sụt xuống 0,8pu nên thời gian ngắn hệ thống cung cấp từ máy phát lượng công suất 5MVar để bù điện áp cho lưới sau ổn định 1pu hệ thống bảo vệ khơng tác động, hệ thống turbine gió hoạt động để phát công suất vào lưới Pos.seq.V1-B575 (pu) 0.8 4.5 5.5 Time (s) Pos.seq.I1-B575 (pu) 0.8 0.6 Mag (% of Fundamental) 0.4 20 0.2 15 4.5 5.5 Time (s) 10 Generator Q(Mvar) Mag (% of Fundamental) 20 0 15 100 200 300 4.5 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 10 700 800 900 6.5 1000 Speed (pu) 1.2 Mag (% of Fundamental) 20 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 35 40 45 800 900 1000 15 0.8 10 10 15 20 25 Time (s) 30 50 20 Mag (% of Fundamental) 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 1000 15 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 78 800 900 1000 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Pitch angle (deg) 0.5 0 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.29 Điện áp, dịng điện, tốc độ, cơng suất phản kháng góc pitch B575 xảy cố Mag (% of Fundamental) 20 Khi turbine gió bị cố chạm đất pha B25 thời điểm t=5s, 15 thời 10 gian chạm đất chu kỳ Lúc hệ thống turbine gió DFIG vận hành mơ5 hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “var regulator” với Qref=0MVar, điện áp B575 sụt xuống 0,7pu nên thời điềm t=5,115s hệ thống bảo vệ 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 điện áp cực tiều tác động ngắt hệ thống turbine gió khỏi lưới điện Khi tốc độ quay rotor máy phát DFIG tăng cao lên đến 1,55pu, đồng thời góc pitch β điều chỉnh tăng lên 330 t=28s để hạn chế tốc độ Pos.seq.V1-B575 (pu) 1.2 0.8 0.6 4.5 5.5 5.5 Time (s) Pos.seq.I1-B575 (pu) 0.4 0.3 Mag (% of Fundamental) 20 0.2 0.1 15 4.5 Time (s) 10 Sped (pu) 1.6 1.4 Mag (% of Fundamental) 20 1.2 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 40 45 1000 15 0.8 10 15 20 25 Time (s) 30 35 50 10 Mag (% of Fundamental) 20 0 100 200 300 15 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 10 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 0 100 200 300 400 500 600 700 79 800 900 1000 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) Pitch angle (deg) 30 20 10 0 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 5.30 Điện áp, dịng điện, tốc độ góc pitch B575 xảy cố 5.2.3.2 Mô lƣới B120 bị sụt áp Mag (% of Fundamental) 20 Quan sát tác động lưới sụt điện áp từ cố xảy từ xa hệ 15 thống B120 (120kV) Trong mô này, phương thức hoạt động ban đầu 10 thiết lập Var quy định với Qref = tốc độ gió khơng đổi mức 8m/s Tại 0,155 pu điện áp sụt giảm lâu dài 0,5s cài đặt, khối nguồn điện áp 120kV xảy0ra tại0 thời 100 điểm t 200 = 5s Các kết 400 mô500 phỏng600 minh họa sụt áp900 1000 hệ 300 700 800 Frequency (Hz) thống 120kV (hệ thống thiết lập điều khiển Q-Var ) Quan sát điện áp tốc độ động V-Plant 2.3kV pos seq (pu) 0.8 0.6 4.5 5.5 Time (s) 6.5 6.5 I Plant pos.seq.(2pu/MVA) Mag (% of Fundamental) 20 15 4.5 10 5.5 Time (s) Motor speed (pu) Mag (% of Fundamental) 20 15 100 200 4.5 300 10 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 700 800 900 6.5 1000 20 Mag (% of Fundamental) 0.5 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 10 80 Mơ hình kết mô dùng PID mờ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG) P-B25(MW) 4.5 5.5 Time (s) 6.5 Hình 5.31 Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động cơ, công suất lưới B25 Ở chế độ điều khiển turbine gió thay đổi thiết lập điện áp tiến hành mô 20 Mag (% of Fundamental) Kết hỗ trợ điện áp cung cấp từ công suất phản kháng 15 MVAR tạo từ turbine gió nên giữ điện áp ngưỡng bảo vệ 0,9pu V-Plant s.3kV pos.seq.(pu) 10 1.2 0.8 0.6 100 200 4.5 300 400 500 600 Frequency (Hz) 5.5 Time (s) 700 800 900 6.5 1000 I Plant pos.seq.(pu/2MVA) Mag (% of Fundamental) 202 15 4.5 10 5.5 Time (s) 6.5 Motor speed (pu) 1.02 1.01 Mag (% of Fundamental) 201 0 100 200 300 0.99 400 500 600 Frequency (Hz) 700 800 900 1000 15 0.98 4.5 5.5 Time (s) 10 6.5 Hình 5.32 Điện áp tải, dòng điện tải, tốc độ động Nhận xét: Mag (% of Fundamental) 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Trong thời gian xảy cố t=0,5s điện áp cấp cho tải V-Plant 2,3kV bị Frequency (Hz) sụt15áp ổn định, tương tự tốc độ động ổn định hệ thống 10 phát bù lượng công suất phản kháng từ máy phát DFIG người vận hành thiết lập hệ thống ổn định 0 100 200 300 400 500 600 Frequency (Hz) 700 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 800 900 1000 81 Kết luận hướng phát triển đề tài Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Sau tìm hiểu nguồn lượng gió Việt Nam cho thấy tiềm để phát triển khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Tuy nhiên ta giai đoạn nghiên cứu ứng dụng nhỏ Do việc nghiên cứu điều khiển vấn đề liên quan đến máy phát điện gió cần thiết tương lai 6.1 Nội dung thực - Tổng quan nhu cầu lượng điện tình hình lượng giới - Tiềm nhu cầu, thuận lợi khó khăn sử dụng lượng gió Việt Nam - Tìm hiểu hệ thống phát điện gió: Cấu tạo loại turbine gió - Nguyên lý vận hành turbine gió, phương pháp điều khiển, mơ hình phương pháp nối lưới cho hệ thống máy phát điện gió - Q trình biến đổi lượng gió, sử dụng PID mờ điều khiển công suất ngõ 6.1.2 Hạn chế - Việc nghiên cứu thực mơ hình có Matlab/Simulink nên chưa có thời gian nghiên cứu sâu thêm để cải thiện vấn đề mở rộng giới hạn tốc độ gió thực tế - Chưa nghiên cứu lãnh vực hịa lưới tác động turbine gió gây ảnh hưởng đến ổn định hệ thống 6.2 Hƣớng phát triển đề tài Ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật điều khiển đại vào lĩnh vực lượng tái tạo cần thiết mang tính cấp bách tương lai khơng xa Do cần phải quan tâm nghiên cứu thêm vấn đề sau HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 82 Kết luận hướng phát triển đề tài - Khảo sát ảnh hưởng hệ thống nhiều máy phát điện gió cơng suất lớn (cánh đồng gió) kết nối với lưới điện - Các kỹ thuật điều khiển chuyển đổi cơng suất cho turbine gió xem xét tác động chúng đến lưới điện turbine gió - Nghiên cứu lãnh vực hịa lưới tác động turbine gió gây ảnh hưởng đến ổn định hệ thống - Nghiên cứu trường hợp xảy cố turbine tác động ảnh hưởng đến toàn hệ thống - Các kỹ thuật điều khiển turbine gió đại kết hợp mạng neuron logic mờ… HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Bách Phúc, Ks Nguyễn Hữu Bính, “Tổng quan phát triển điện gió giới”, Viện Điện-Điện tử Tin học TP.HCM [2] Nguyễn Hoàng Dũng&Nguyễn Quốc Khánh, “Hướng dẫn quy hoạch phát triển điện gió Việt Nam” GIZ/MoIT [3] TS Nguyễn Như Hiền &TS Lại Khắc Lãi, “Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển”-2007 [4] PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà, “Cơng nghệ tính tốn mềm” [5] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” NXBKH&KT-2006 [6] PGS.TS Lê Minh Phương, TS Phan Quốc Dũng, “Simulink-power system blockset phịng thí nghiệm truyền động điện” [7] LVTh.S Nguyễn Trọng Thắng, “Điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ phía”.ĐHSPKT-2010 [8] LVTh.S Bùi Văn Vĩ, “Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện cảm ứng kích từ kép”.ĐHĐN-2012 [9] LVTh.S Tống Thị Hiếu “ Nghiên cứu hệ thống tuabin gió sử dụng máy phát khơng đồng nguồn kép DFIG” ĐHSPKT-2010 [10] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước “ Lý thuyết điều khiển mờ” NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002 [11] Phần mềm Matlab/simulink version 2010a [12] Ana I Estanqueiro, R Aguiar, J A Gil Saraiva, Rui M G Castro and J M Ferreira de Jesus, “Development and Application of a model for power output fluctuations in a wind farm” In proceedings of the European Wind Energy Conference, Lübeck-Travemund, Germany, March, 1993 [13] System dynamic performance subcommittee of the Power system engineering committee of the Power Engineering Society, “Eigenanalysis and Frequency Domain Methods for Power Systems: Dynamic Performance” IEEE 90TH0292-3PWR IEEE, Piscataway, NJ, USA, 1989 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 84 [14] Carson W Taylor, “Power System Voltage Stability” EPRI Power Engineering Series, McGraw Hill, 1994 [15] System dynamic performance subcommittee of the Power system engineering committee of the Power Engineering Society, “Voltage Stability of Power Systems: Concepts, Analytical tools, and industry experience” IEEE 90TH0358-2-PWR, Piscataway, NJ, USA, 1990 [16] N Jenkins, Z Saad-Saoud, “A simplied model for large wind turbines” European Union Wind Energy Conference, GAoteborg, Sweden (1996) [17] W.E Leithead, M.C.M Rogers, “Drive-train Characteristics of Constant Speed”.HAWT's: Part I - Representation by Simple Dynamics Models, Wind Engineering Vol 20 No (1996) [18] Muljadi, E., Butterfield, C., Chacon, J., and Romanowitz, H (2006), “Power quality aspects in a wind power plant” Technical Report NREL/CP-500-39183, National Renewable Energy Laboratory, Golden,USA [19] J.Wilkie, W.E Leithead, C Anderson, “ Modelling of Wind turbines by Simple Models” Wind Engineering Vol 13 No (1990) [20] Gilbert M Masters, “Renewable and Efficient Electric Power Systems”Stanford University.2004 [21] Branislav Dosijanoski, M.Sc Student, “Simulation of Doubly-Fed Induction Generator in a Wind Turbine”, XI International PhD Workshop OWD 2009, 17–20 October 2009 [22] Janaka B Ekanayake, Lee Holdsworth, XueGuang Wu, and Nicholas Jenkins “Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines” IEEE Transactions on power systems, vol 18, no 2, may 2003 [23] S Masoud Barakati, “Modeling and Controller Design of a Wind Energy Conversion System Including a Matrix Converter”.Ph.D thesis, University of Waterloo, Ontario, Canada, 2008 [24] Krause, P.C, “Analysis of Electric Machinery and Drive System” McGrawHill Book Company, 2nd Ed., Dec 2001 HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 85 [25] A Larsson, “The Power Quality of Wind Turbines” Ph.D thesis, Chalmers University of Technology 2000, ISBN 91-7197-970-0 [26] M C Chang, M C Hsu and M J Chen,“Simulating Dynamic Behavior of a Multimachine Wind Power System”.Journal of Engineering Technology and Education Vol 1, No 2, November 2004, pp 151-161 [27] Seman, S., Niiranen, J., Kanerva, S., Arkkio, A., Saitz, J 2005 “Performance Study of Doubly Fed Wind-Power Generator under Network Disturbances” IEEE Transaction on Energy Conversion, Accepted for future publication, p [28] Clemens Jauch, “Stability and Control of Wind Farms in Power Systems” Ph.D thesis, Aalborg University, Denmark October 2006 [29] Aleksandar Radovan Katancevic, “Transient and Dynamic Stability on Wind Farms” Master’s thesis submitted for approval for the degree of Master of Science, Helsinki university of technology, March, 3rd 2003 [30] http://www.Vinamain.com [31] http://www.baomoi.com [32] http://www.vietnamnet.vn [33] http://www.vietbao.vn [34] http://www.vst.vista.gov.vn [35] http://www.epu.edu.vn [36] http://www.erico.com [37] http://www.plexim.com [38] http://www.en.wikipedia.org [39] http://www.emerging - energy.com HVTH: Nguyễn Văn Hằng – GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 86 ... khơng đồng nguồn kép hệ thống phong điện - Xây dựng mơ hình tốn học phần tử điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG) - Xây dựng mơ hình mơ điều khiển máy phát không đồng nguồn kép (DFIG)...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN HẰNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN NGÀNH:... hình điều khiển turbine gió nguồn kép DFIG Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG 2.2.2 Nguyên lý làm việc turbine gió Hình 2.12 trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát