MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUR BINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN ĐỨC D oc H D MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUR BINE GIĨ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG g an aN Chuyên ngành: Mạng hệ thống điện Mã số: 60.52.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình hồn thành HỌC ĐÀ Người hướng dẫn khoa học: P G S TS LÊ KIM HÙNG D oc H Phản biện 1: TS Đoàn Anh Tuấn Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Hồng Anh aN D an Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ k ỹ t h u ậ t họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 g tháng 12 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin -Học liệu, Đại học Đà Nẵng H D MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện Việt nam nói riêng giới nói chung nhu cầu lượng điện ngày tăng cao nhà máy điện sử dụng nguồn lượng truyền thống thuỷ điện, nhiệt điện dạng lượng ngày cạn kiệt gây cân sinh thái, ô nhiễm môi trường Nguồn điện khai thác từ nhà máy điện ngun tử có chi phí lớn tiềm ẩn nguy gây an toàn Bởi việc sử dụng nguồn lượng sạch, có khả tái tạo lượng gió, lượng mặt trời xu hướng phát triển mạnh giới Tuy nhiên nguồn lượng mặt trời giai đoạn phát triển thực với công suất nhỏ Do việc sử dụng nguồn lượng g an aN D oc tái tạo từ gió ngày quan tâm phát triển nhiều quốc gia Các hệ thống biến đổi lượng gió có xu hướng sử dụng máy điện không đồng nguồn kép gắn với tuốc bin làm máy phát điện để giảm giá thành biến đổi đặt phía rotor phải làm việc với khoảng 1/3 công suất tổng hệ thống máy phát Đồng thời, với ưu điểm làm việc khoảng thay đổi tốc độ rộng, hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện khơng đồng nguồn kép có hiệu suất biến đổi lượng cao so với việc sử dụng máy phát không đồng rotor lồng sóc hay đồng kích thích vĩnh cửu với biến đổi đặt phía stator, nên sử dụng ngày phổ biến Khi vận hành hệ thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu trì tình trạng làm việc song song với lưới xảy cố lưới tái lập lại trạng thái làm việc bình thường sớm tốt sau cố lưới loại bỏ Khơng thế, hệ thống điều khiển phía lưới hệ thống máy phát sức gió cịn u cầu phải có khả hỗ trợ lưới suốt trình cố lưới, kể cố lưới đối xứng cố lưới không đối xứng Với lý trên, tác giả chọn đề tài “Mô hệ thống D tuốc bin gió sử dụng máy phát điện không đồng nguồn kép (DFIG)” Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc, xây dựng mô hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát khơng đồng nguồn kép nhằm nâng cao hiệu vận hành không làm khả trụ lưới hệ thống aN D oc H Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận văn hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MPĐKĐBNK - Phạm vi nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiển máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép - Mơ hình hóa thành phần hệ thống điều khiển máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép g an Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu phương pháp điều khiển tuốc bin gió - Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink mô hệ thống điều khiển máy phát điện gió khơng đồng nguồn kép Ý nghĩa đề tài Hiện giới có Việt Nam việc phát triển triển khai dự án lượng gió để đáp ứng sử dụng điện tương lai nhu cầu cấp thiết Việc nghiên cứu phương pháp điều khiển máy điện gió sử dụng động khơng đồng nguồn kép góp phần khẳng định phát triển khả triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển cho máy phát điện gió g an aN D oc H D Bố cục đề tài Ngoài phần Mở đầu Kết luận, luận văn gồm chương: Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống máy phát điện sức gió Chƣơng 2: Mơ hình máy phát điện không đồng ngườn kép Chƣơng 3: Hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép Chƣơng 4: Mô hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ + Tổng quan tình hình phát triển lượng gió giới + Tổng quan tiềm khai thác gió Việt nam 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIĨ D Đã có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu hệ thống máy phát điện sức gió với cấu trúc đa dạng, khái quát phát triển loại máy phát điện sức gió hình 1.1 g an aN D oc H Hình 1.1 Các loại máy phát điện sử dụng hệ thống phát điện sức gió Ngày nay, hệ thống tuốc bin gió thường sử dụng máy điện khơng đồng ba pha rotor dây quấn với biến đổi đặt phía rotor Các máy phát cịn gọi máy phát điện khơng đồng nguồn kép (DFIG) 1.3 CẤU TẠO HỆ THỐNG TUỐC BIN GIÓ Khái quát cấu tạo phận hệ thống tuốc bin gió Nêu biểu đồ phương pháp điều khiển tốc độ gió, trình bày an aN D oc H D hình 1.2 g Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ tuốc bin 1.4 CÁC LOẠI MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIĨ Trình bày cấu tạo ngun lý hoạt động, phạm vi ứng dụng loại máy phát điện Máy phát điện đồng bộ, máy phát điện cảm ứng, máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc, máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Đặc biệt máy phát điện không đồng nguồn kép ( DFIG), ứng dụng rộng rải máy phát điện sức gió 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương trình bày tổng quan hệ thống máy phát điện sức gió, đưa cách khái quát hệ thống lượng sử dụng sức gió đề cập đến đối tượng cần nghiên cứu MPĐKĐBNK Đồng thời nội dung chương trình bày sơ lược loại máy điện khơng đồng bộ, tìm hiểu loại máy phát điện sử dụng hệ thống lượng gió kiểu mơ hình hệ thống g an aN D oc H D tương ứng với dạng máy phát điện CHƢƠNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) + Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động chế độ vận hành MPĐKĐBNK, + Phương pháp tính dịng cơng suất MPĐKĐBNK, sơ đồ tổng thể hệ thống trình bày hình 2.1 g an aN D oc H D Hình 2.1 Hệ thống máy phát điện (DFIG) 2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ TRỤC TỌA ĐỘ Để giảm độ phức tạp phương trình vi phân mơ tả động học MPĐKĐBNK lưới đại lượng ba pha dịng điện, điện áp, từ thơng thường mô tả biến hệ trục tọa độ hai pha Hệ trục tọa độ hệ trục tọa độ cố định hệ trục tọa độ quay Công cụ để chuyển đổi đại lượng từ hệ trục tọa độ cố định sang hệ trục tọa độ quay ngược lại phép biến đổi Clarke Park [3] Trong hệ thống truyền động điện nay, tất đại lượng ba pha biến đổi sang hệ trục tọa độ quay thường gọi hệ trục tọa độ quay dq hai pha Khi tính tốn thực với biên độ góc pha chúng hệ D trục tọa độ dq 2.3 MƠ HÌNH TỐN MÁY ĐIỆN KHƠNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG H Xây dựng phương trình tốn học mơ tả máy phát điện oc khơng đồng nguồn kép hệ trục tọa độ αβ dq Xuất phát từ phương trình điện áp stator rotor xây D dựng để làm sở cho việc thiết kế hệ thống điều khiển máy phát aN 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Qua nghiên cứu chương 2, tác giả đã: an + Nêu mơ hình động đối tượng MPĐKĐBNK, thích hợp cho g việc phân tích đặc tính máy điện xoay chiều chế độ xác lập lẫn độ + Tìm hiểu mơ hình tốn học MPĐKĐBNK, xây dựng hai hệ trục tọa độ tham chiếu: hệ trục tọa độ tĩnh stator (hệ trục αβ) hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng (hệ trục dq) Hệ phương trình mơ tả MPĐKĐBNK hệ trục αβ dùng để xây dựng sơ đồ mô phỏng, cịn hệ phương trình mơ tả MPĐKĐBNK hệ trục dq làm sở để xây dựng thuật toán điều khiển 10 D H Hình 3.1 Các vùng làm việc tuốc bin gió + Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng điện trở tiêu tán có oc điều khiển, Stator chuyển đổi Cả phương pháp hệ thống điều khiển máy phát bị vơ hiệu hố máy phát bảo vệ chống D q dịng, đảm bảo máy phát an tồn aN + Điều khiển kích từ: Bao gồm hai thành phần, điều khiển nghịch lưu phía máy phát điều khiển nghịch lưu phía lưới SỨC GIĨ SỬ DỤNG MPKĐBNK g an 3.3 CẤU TRUC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN Hình 3.2 mơ tả sơ đồ cấu trúc hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MPKĐBNK Trong cuộn dây stator nối trực tiếp với lưới điện pha, cuộn dây rotor nối với hệ thống biến tần (biến tần sử dụng van bán dẫn) có khả điều khiển dòng lượng theo chiều Hệ thống biến tần bao gồm hai phần: Phần nghịch lưu phía lưới (NLPL) phần nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Hai phần nối với qua mạch chiều trung gian Trong 11 phần NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh cách ly công suất tác dụng P gián tiếp qua đại lượng mG (mô men máy phát) cơng suất , đồng thời đảm nhận việc hoà phản kháng Q qua đồng máy phát vào lưới điện, tách máy phát khỏi lưới cần thiết Phần NLPL không chỉnh lưu thông thường lấy lượng từ lưới về, mà cịn có khả thực hồn trả lượng từ mạch chiều trung gian trở lại phía lưới D MBA Un MĐN Us NLPL oc H Bộ lọc NLMP HS D MP aN IE iN DSP an ir is g n Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK 3.4 ĐIỀU KHIỂN PHÍA LƢỚI Mơ hình phía lưới: Từ phương trình tương ứng với mạch điện tương đương lưới, qua phép biến đổi đưa mơ hình khơng gian lưới, sở cho việc thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới Hệ thống điều khiển phía lưới nhằm mục đích trì điện áp 12 chiều trung gian công suất phản kháng giá trị mong muốn Phần trình bày thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới, đưa cấu trúc điều khiển phía lưới với hai mạch vịng Mạch vịng mạch vòng điều khiển dòng lưới, mạch vòng ngồi mạch vịng điều khiển dịng cơng suất 3.5 ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh cơng suất tác dụng (thông qua điều chỉnh mômen điện mG) công suất phản ) Phần trình bày hệ thống kháng Q (hoặc hệ số cơng suất D điều khiển phía máy phát bao gồm: + Đưa cấu trúc điều khiển phía rotor MPKĐBNK H + Trình bày sơ lược điều khiển dịng phía máy phát dựa phương pháp Passivity -based (PBC) oc 3.6 TÍNH TỐN GIÁ TRỊ THỰC VÀ GIÁ TRỊ ĐẶT D 3.7 HÕA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT LÊN LƢỚI aN Việc hoà động máy phát lên lưới điều kiện để điều khiển chế độ làm việc hệ thống Phương pháp điều khiển tự động an hoà đồng máy phát lên lưới phải thoả mãn đồng thời điều kiện sau: g + Điện áp lưới điện áp máy phát có tần số + Điện áp lưới điện áp máy phát trùng pha + Điện áp lưới điện áp máy phát có trị số (biên độ) 3.8 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương tìm hiểu vấn đề: + Các thành phần điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPĐKKĐBNK + Xây dựng mơ hình cấu trúc điều khiển phía lưới phía máy phát 13 + Sơ lược việc hòa đồng bộ, điều kiện đảm bảo hòa đồng với lưới Trên sở nội dung nghiên cứu chương chương 3, tác giả thực việc mô hệ thống điều khiển MPĐKĐBNK chương với việc sử dụng phần mền Matlab-Simulink g an aN D oc H D 14 CHƢƠNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 4.1 CÁC SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG MPĐKĐBNK Để kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển, ta thực việc mô MPĐKĐBNK công cụ phần mềm Matlab Simulink [5], với thông số cho bảng 4.1 Bảng 4.1 Các thông số mô MPĐKĐBNK Pđm = 1,1 KW D Rr = 3.7 Ω nđm =950 V/ph Lls = 0.013H Uđms = 220/380 Uđmr = 345 V Cos Lm = 0,34H = 0.7 Iđm = 3,5A aN D J= 0.064Kgm2 Llr = 0.0089H oc zp = Rs =4.2 Ω H fđm = 50 Hz Với hệ thống mạch điện /điện tử mô phần an mềm Plecs, phần mềm cho kết mô tả mạch điện/ điện tử dạng sơ đồ nguyên lý phần tử thiết bị điện, linh g kiện nối ghép mạch cách trực quan giống nối thực tế, với hệ thống mơ có thông số gần sát với thông số thực đối tượng MPĐKĐBNK Mơ hình PLECS MPĐKĐBNK trình bày hình 4.1, có điện trở R4, R5, R6 dùng tạo cố lưới (đối xứng ), đồng hồ đo dòng, áp stator rotor 15 Khối mơ tả hệ thống MPĐKĐBNK D Hình 4.1 Mơ hình PLECS H oc Sơ đồ mơ tồn hệ thống MPĐKĐBNK hình 4.2 sơ đồ có: Khối mơ hình máy phát, khối chuẩn hóa, khối điều g an aN D khiển phía lưới, khối điều khiển phía máy phát, khối tín hiệu Hình 4.2 Sơ đồ mơ tồn hệ thống 16 Ngun lý hệ thống điều khiển phía rotor Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển phía rotor trình bày hình 4.3 g an aN D oc H D Hình 4.3 Ngun lý điều khiển phía rotor Trong có khối điều chỉnh mơ men đưa đến điều chỉnh dòng, dòng lấy dòng điện đưa đến điều chỉnh dịng thơng qua khối hịa đồng bộ, ngồi cịn có khối điều chế hai 17 tín hiệu điện áp rotor thành phần theo trục d q mong muốn máy phát Nguyên lý hệ thống điều khiển phía lưới Sơ đồ nguyên lý điều khiển phía lưới trình bày hình 4.4 Trong có khối điều khiển dịng phía lưới đáp ứng bám nhanh theo dòng điện lưới đặt trước, khối điều chỉnh điện áp chiều trung gian, khối khiển công suất phản kháng lưới biến đổi thông qua hệ số công suất g an aN D oc H D Hình 4.4 Ngun lý điều khiển phía lưới Bộ điều khiển dòng passivity-based (PBC) Thành phần dòng điện thực idr, iqr bám tốt giá trị dòng điện đặt lấy từ điều chỉnh mô men cơng suất thơng qua khối tính tốn giá trị đặt 18 Xây dựng điều chỉnh dòng (PBC) hình 4.5 oc H D Hình 4.5 Bộ điều khiển dịng passivity-based (PBC) D 4.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG aN Khi thực hòa đồng g an Đáp ứng dòng điện idr iqr theo giá trị đặt hình 4.6 Hình 4.6 Đáp ứng dịng điện idr iqr theo giá trị đặt Đáp ứng điện áp pha stator máy phát lưới hình 4.7 19 Hình 4.7 Đáp ứng điện áp pha stator máy phát lưới g an aN D oc H D Đáp ứng điện áp lưới stator sau hồ đồng hình 4.8 Hình 4.8 Đáp ứng điện áp lưới stator sau hoà đồng 20 Nhận xét: Kết mô cho thấy điều chỉnh điều khiển dòng điện idr iqr đảm bảo idr = iqr< sau 0,09s (hình 4.6 sau 0,03s tác động điều khiển) điện áp pha lưới máy phát trùng thời điểm 0.12s hình 4.7 Như sau 0,12s thực hồ đồng máy phát lên lưới Trong q trình ta thấy chúng trùng nhau, với sai lệch lớn 1,17% hình 4.18 dịng rotor ln giữ idr = iqr = - =- = - D 3.01A thoả mãn điều kiện hoà đồng đặt H + Kiểm tra chất lượng hệ thống điều khiển MPĐKĐBNK nhảy mô men oc làm việc đồng (sau hoà đồng bộ), với bước Đều cho kết tốt D aN 4.3 SO SÁNH TÍNH BỀN VỮNG CỦA HỆ THỐNG GIỮA HAI PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PBC VÀ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN an TÍNH g Khi hệ thống lưới điện xảy cố (đối xứng) phần điện áp lưới Bộ điều khiển làm việc để trì phát cơng suất Q lên lưới thơng qua điều khiển m = 0Nm nhằm bám lưới + Kết mô với điều khiển PBC Trường hợp điện áp bị cố (đối xứng) giảm 10%, n = nđm = 950v/ph, thực điều khiển mô men có bước nhảy từ m = -3Nm 0Nm cos nhảy từ cos điểm 1s để bám lưới = 0.7 0.436 (sin = 0.9) thời 21 Các đáp ứng điện áp lưới, mơ men, cos , dịng rotor xảy cố lưới 10% (hình 4.9, 4.10, 4.11, 4.12) H D Hình 4.9 Đáp ứng điện áp lưới cố lưới 10% g an aN D oc Hình 4.10 Đáp ứng mơ men cố lưới 10% 22 H D Hình 4.11 Đáp ứng mô men cố lưới 10% g an aN D oc Hình 4.12 Đáp ứng cos xảy cố lưới 10% 23 Nhận xét: Qua kết mơ thể (hình 4.9 đến 4.12), cho thấy điện áp lưới (đối xứng) bị cố điện áp giảm trường hợp 10%, 25%, 50%, có tham gia điều chỉnh dịng PBC cho thấy thơng số điện áp lưới, mơ men, cos bị dao động nhẹ sau làm việc ổn định, giá trị dòng điện bám tốt giá trị đặt sau hết cố thời điểm 1.6s hệ thống trở trạng thái làm việc ổn định D 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Ta có kết chương sau: oc lên lưới H + Đã thực điều khiển q trình hồ đồng máy phát + Kiểm tra chất lượng điều khiển dòng PBC D + Kết mô cho thấy chất lượng hệ thống điều aN khiển chế độ làm việc bình thường, cố lưới giải an tính phi tuyến máy phát biến đổi Với kết mô cố giảm điện áp lưới10% đến 50% cho thấy phương pháp g điều khiển dòng cải thiện chất lượng hệ thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: + Luận văn áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến thụ động PBC (Passivity – Based control) cho hệ thống máy phát điện 24 sức gió sử dụng MPĐKĐBNK chế độ làm việc bình thường với tải đối xứng chế độ xảy cố lưới (đối xứng) + Khi áp dụng phương pháp điều khiển Passivity – Based, việc giải vấn đề mà phương pháp tuyến tính đề cập dao động điện áp lưới, dao động từ thơng cố lưới, luận văn cịn giải thêm vấn đề dao động tốc độ máy phát (do nguồn lượng gió thay đổi phức tạp ngẫu nhiên) H D + Kết mô cố lưới (đối xứng) giảm điện áp 10%, 25%, 50%, điều khiển làm việc để trì phát cơng suất phản kháng Q lên lưới thơng qua giá trị dịng thành phần i qr Hạn chế kiến nghị: aN D oc cos , lúc thành phần dịng điện rotor bám giá trị đặt chúng với biên độ dao động nhỏ dòng định mức rotor Chứng tỏ với điều chỉnh dịng PBC chất lượng hệ thống làm việc đảm bảo an Với kết đạt được, luận văn giải g trường hợp tải đối xứng cố lưới đối xứng Tác giả chưa nghiên cứu ảnh hưởng tải không đối xứng tới chất lượng điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng MPĐKĐBNK khả bám lưới máy phát trường hợp cố lưới không đối xứng, cần nghiên cứu tiếp sâu