4. Phương phỏp nghiờn cứu
3.1. Khỏi quỏt về nănglượng giú
Cỏc mỏy điện xoay chiều được sử dụng trong cỏc hệ thống mỏy phỏt điện sức giú cú thể là mỏy phỏt đồng bộ kớch thớch vĩnh cửu, mỏy phỏt khụng đồng bộ rotor lồng súc và mỏy phỏt khụng đồng bộ ba pha rotor dõy quấn. Ngày nay, cỏc hệ thống tua bin giú hiện đại thường được sử dụng cỏc mỏy phỏt khụng đồng bộ ba pha rotor dõy quấn với bộ biến đổi được đặt ở phớa rotor. Cỏc mỏy phỏt điện như vậy cũn được gọi là cỏc mỏy phỏt khụng đồng bộ nguồn kộp (MPKĐBNK). Bờn cạnh khả năng làm việc với dải biến thiờn tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thỡ một ưu điểm quan trọng của cỏc MPKĐBNK là ở chỗ cỏc bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% cụng suất của mỏy phỏt. Điều này cho phộp giảm được dung lượng cỏc bộ biến đổi và giảm được giỏ thành của hệ thống. Chớnh vỡ vậy, cỏc MPKĐBNK ngày này càng được sử dụng nhiều trong cỏc hệ thống mỏy phỏt điện bằng sức giú mặc dự khú điều khiển hơn so với mỏy phỏt đồng bộ kớch thớch vĩnh cửu và mỏy phỏt khụng đồng bộ rotor lồng súc.
Hỡnh 3.1: Cỏc chế độ vận hành của MPKĐBNK và dũng chảy năng lượng tương ứng
(a)cỏc chế độ vận hành, (b) dũng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dũng chảy năng lượng ở chế độ trờn đồng bộ.
Đặc tớnh của MPKĐBNK trong cỏc chế độ làm việc khỏc nhau và dũng chảy năng lượng tương ứng được minh họa hỡnh 3.1.
3.1.1. Mụ hỡnh khối tua bin giú
Hỡnh 3.2:Hệ thống mỏy phỏt sức giú
Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng giú được vẽ trờn hỡnh 3.2 trong cuộn dõy stator của MPKĐBNK được kết nối trực tiếp với lưới. Cỏc cuộng dõy rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phớa rotor được gọi là bộ biến đổi phớa
rotor, một phớa kết nối với lưới được gọi là bộ biến đổi phớa lưới. hai bộ biến đổi liờn hệ với nhau thụng qua mạch một chiều trung gian. [6, 7]
Hệ thống điều khiển trờn hỡnh 3.2 gồm cú hai phần chớnh: phần điều khiển tua bin và phần điều khiển mỏy phỏt nguồn kộp. Phần điều khiển tua bin cung cấp cỏc giỏ trị đặt của cụng suất tỏc dụng hay mụmen điện từ ∗ cho phần điều khiển mỏy phỏt nguồng kộp. Giỏ trị đặt này được tớnh toỏn dựa trờn tốc độ giú đo được và bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn cụng suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của tua bin. Một tớn hiệu đặt khỏc là gúc điều chỉnh pitch được đưa trực tiếp tới bộ điều chỉnh gúc pitch của cỏnh giú để điều khiển tua bin.Trong khi đú, mục tiờu của phần điều khiển mỏy phỏt nguồn kộp là giữ cho cỏc cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng của mỏy phỏt ở cỏc giỏ trị mong muốn.
3.1.1.1. Điều khiển tua bin giú
Như đó trỡnh bày, để duy trỡ cụng suất được biến đổi từ năng lượng giú thành cụng suất cơ trờn trục của tua bin giú là cực đại thỡ cần phải đảm bảo giỏ trị của hệ số Ctb là tối ưu ứng với từng tốc độ giú trong dải tốc độ giú cho phộp. Việc điều chỉnh sao cho tốc độ tua bin đạt được giỏ trị cho phộp phỏt ra cụng suất đỉnh được thực hiện thụng qua việc điều chỉnh gúc pitch. Ở tốc độ giú nằm ngoài dải tốc độ cho phộp của tua bin thỡ cần phải cắt mỏy phỏt ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khớ để giữ cho tua bin khụng quay. Muốn như vậy thỡ tốc độ trục cơ của tua bin giú (được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thụng qua một hộp số) phải được điều khiển bỏm theo đường đặc tớnh tối ưu cho phộp khai thỏc cụng suất tối đa ứng với từng tốc độ giú như đó thể hiện ở cỏc cụng thức (3.1), (3.2), (3.3) và hỡnh 3.3. Đõy cũng chớnh là một chủ đề đó nhận được sự quan tõm nghiờn cứu khỏ rộng rói. Hỡnh 3.3 là một vớ dụ về mối quan hệ giữa cụng suất của một tua bin với tốc độ gúc quay của nú ứng với cỏc tốc độ giú khỏc nhau. Đường đặc tớnh cụng suất tối ưu của tua bin được thể hiện bằng nột đậm và được mụ tả như sau:
khi cụng suất của mỏy phỏt đạt giỏ trị lớn nhất cho phộp thỡ tốc độ quay của tua bin giú được điều chỉnh sao cho Ctb đạt được giỏ trị tối ưu để cụng suất biến đổi từ năng lượng giú ứng với mỗi tốc độ giú là lớn nhất. Vựng làm việc như vậy cũn được gọi là vựng tối ưu cụng suất.
Hỡnh 3.3:Cỏc vựng làm việc của mộttua bingiú (nột đậm: đặc tớnh cụng suất tối ưu của hệ thống)
Khi cụng suất của mỏy phỏt đạt đến giớ hạn là lớn nhất cho phộp mà tốc độ giú vẫn tiếp tục tăng thỡ cú thể điều chỉnh tốc độ quay của tua bin ứng với từng tốc độ giú sao cho Ctb đạt được giỏ trị nhỏ hơn giỏ trị tối ưu hoặc điều chỉnh gúc pitch để giữ cho cụng suất trờn trục của tua bin là hằng số. Vựng làm việc như vậy cũn được gọi là vựng cụng suất khụng đổi.
Khi việc điều chỉnh hệ số Ctb và gúc pitch đó ở mức tới hạn mà tốc độ giú vẫn tiếp tục tăng thỡ buộc phải cắt mỏy phỏt để bảo vệ tua binvà cỏc bộ biến đổi cụng suất.
Cần chỳ ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tua bin cú thể thực hiện trực tiếp bằng cỏch thay đổi gúc pitch của cỏnh giú, thay đổi hướng nhận giú của cỏc cỏnh giú hoặc thực hiện giỏn tiếp thụng qua việc điều chỉnh cụng suất đầu ra của mỏy phỏt.
3.1.1.2. Điều khiển hệ thống mỏy phỏt nguồn kộp
Cỏc thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với cỏc bộ điều khiển kiểuPIđược trỡnh bày trong. Đặc điểm chung của cỏc phương phỏp này là cú thờm một thành phần
bự kiểu feed-forowrd ở đầu ra của cỏc bộ điều khiển nhằm loại bỏ cỏc ảnh hưởng của lực phản điện động của mỏy. Tuy nhiờn, tớnh năng của cỏc bộ bự feed-forowrd phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của cỏc hàm số của MPKĐBNK nờn thường khụng cú đường đặc tớnh làm việc lý tưởng trong thực tế do cỏc tham số MPKĐBNK cú thể bị biến đổi trong qỳa trỡnh làm việc. Một phương phỏp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khỏc là điều khiển dead-beat đó được trỡnh bày. Tuy nhiờn phương phỏp này dựa trờn việc giả thiết tần số rotor là hằng số trong phạm vi một chu kỳ trớch mẫu T, dẫn đến mụ hỡnh giỏn đoạn của MPKĐBNK là mụ hỡnh tuyến tớnh hệ số hàm cho phộp thiết kế bộ điều khiển tuyến tớnh. Trỏnh việc sử dụng cỏc bộ bự feed-forward và để đảm bảo chất lượng bộ điều khiển tuyến tớnh. Để trỏnh việc sử dụng cỏc bộ bự feed-forward và để đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển trong khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, cỏc phương phỏp điều khiển phi tuyến đề nghị ỏp dụng cho điều khiển MPKĐBNK. Vấn đề này đó được trỡnh bày trong cỏc tài liệu [22].
Như đó trỡnh bày ở trờn, mặc dự hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tua bin giú phải gồm cả phần điều khiển tua bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy nhiờn đề tài này chỉ tập trung nghiờn cứu phần điều khiển MPKĐBNK. Hiện nay đó cú nhiều phương phỏp điều khiển MPKĐBNK được nghiờn cứu như phương phỏp tựa theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based), phương phỏp tuyến tớnh húa chớnh xỏc (exact linearzation), phương phỏp tựa theo thụ động (passivity based) và phương phỏp tựa phẳng (flatness based).
3.1.2. Phương phỏp điều khiển mỏy phỏt khụng đồng bộ
Trong cỏc hệ thống phỏt điện chạy sức giú (PĐCSG) cú hai loại mỏy phỏt khụng đồng bộ (KĐB) được sử dụng:
+ Mỏy phỏt khụng đồng bộ rotor dõy quấn (KĐB-RDQ), cũn được gọi là mỏy phỏt cảm ứng nguồn kộp hay mỏy phỏt khụng đồng bộ nguồn kộp (Doubly-Fed Induction Generator DFIG). Mỏy phỏt KĐB-RDQ cú stator ghộp trực tiếp với lưới, cũn phớa rotor
được nối với lưới qua thiết bị điều khiển hỡnh 3.4a. Hệ thống ăc-quy kớch từ chỉ cần thiết khi hệ thống mỏy phỏt hoạt động ở chế độ ốc đảo, khụng hoà với lưới điện. [21]
+ Mỏy phỏt khụng đồng bộ rotor lồng súc (KĐB-RLS, Squirel- Cage Induction Generator: SCIG). Khỏc với mỏy phỏt KĐB-RDQ, mỏy phỏt KĐB-RLS cú stator nối với lưới qua thiết bị điều khiển Hỡnh 3.4b. Tại đõy, hệ thống ăc-quy kớch từ cũng chỉ cần thiết khi mỏy phỏt hoạt động ở chế độ ốc đảo.
a b
Hỡnh 3.4: Hai loại hệ thống phỏt điện chạy sức giú sử dụng mỏy phỏt khụng đồng bộ: Cụm ăc-quy kớch từ chỉ cần thiết khi vận hành ở chế độ ốc đảo
Dễ dàng chỉ ra cỏc ưu nhược điểm của hai hệ thống trờn:
Do thiết bị điều khiển của KĐB-RDQ nằm ở phớa rotor nờn cụng suất chỉ cũn bằng cỡ 1/3 của cụng suất mỏy phỏt. Dũng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Dẫn đến giỏ thành rẻ hơn nhiều so với KĐB-RLS là loại cần thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, và do đú cú cụng suất bằng chớnh cụng suất của hệ thống mỏy phỏt.
Tuy vậy, nhờ cú thiết bị điều khiển nằm giữa stator và lưới, loại KĐB-RLS dễ điều khiển hơn rất nhiều so với KDB-RDQ. Đặc biệt là trong những trường hợp cú sự cố về phớa lưới.
Hệ thống điều khiển (ĐK) hệ thống mỏy phỏt hỡnh 3.4 bao gồm: + ĐK nghịch lưu (NL) phớa mỏy phỏt (MP).
Hộp Số KĐB RDQ 3~ = 3~ = MBA NL Phía lưới NL Phía MF Acquy kích từ Hộp Số KĐB RLS 3~ = 3~ = MBA Acquy kích từ NL Phía MF NL Phía lưới
+ ĐK nghịch lưu phớa dưới (lưới phụ tải khi vận hành ở chế độ ốc đảo, lưới quốc gia ở chế độ hoà đồng bộ).
Và phải giải quyết được cỏc vấn đề sau đõy:
+ Đối với NL phớa MP: vấn đề ĐK cỏch ly (decoupling control) cụng suất hữu cụng P và cụng suất vụ cụng Q, ĐK hoà đồng bộ. Đặc biệt, khi lưới xảy ra sự cố (sập lưới quốc gia, lưới mất cõn pha nghiờm trọng), khi ấy MP phải cú khả năng cung cấp cụng suất vụ cụng Q giỳp lưới trụ vững qua giai đoạn sự cố.
+ Đối với NL phớa lưới: vấn đề cần giải quyết là ĐK hệ số cụng suất cos, kết hợp với lọc thụng minh chặn nhiễu phỏt lờn lưới.
Phần cấu trỳc điều khiển cụ thể của loại mỏy phỏt khụng đồng bộ nguồn kộp rotor dõy quấn (Mỏy phỏt cảm ứng nguồn kộp DFIG) sẽ được tỏc giả trỡnh bày và thảo luận cụ thể ở phần sau.
3.1.3 Cụng suất của turbine giú
Cụng suất biểu kiến của stato (Ss) và của rotor (Sr) được xỏc định bằng cỏch tớnh cho 1 pha sau đú nhõn 3 (tớnh chất đối xứng):
~ * 2 2 * s s s s 1 s s 1 m s s 2 2 2 m 2 * s s 1 s s 1 m Rm 1 m r m 3U I 3R I j3 L I j3 I 3R I j3 L I j3 3R I j3 I L S (3.1) ~ * 2 2 * r r r r 1 s r 1 m r r 3U I 3R I j3 sL I j3 s I S (3.2)
Vậy cụng suất tỏc dụng của stato và rotor là:
~ 2 2 * s s s s m Rm 1 m r * 1 m r P Re 3R I 3R I 3 Im[ I ] 3 Im[ I ] S (3.3) ~ 2 * r r r r 1 m r * 1 m r P Re 3R I 3 s Im[ I ] 3 s Im[ I ] S (3.4)
Nếu bỏ qua tổn thất, Cụng suất từ hoỏ (magnetizing Power - Pmech) được xem như tổng cụng suất stato và rotor:
* * *
mech 1 m r 1 m r r m r
P 3 Im[ I ] 3 s Im[ I ]=3 Im[ I ] (3.5) Từ cỏc biểu thức (3.3) – (3.5) ta cú thể thấy rằng:
Ps ≈ Pmech/(1 − s) và Pr ≈ −sPmech/(1 − s). (3.6)
Hỡnh 3.5: Năng lượng trong hệ DFIG khi bỏ qua tổn thất
Hỡnh 3.5 trỡnh bày quỏ trỡnh truyền năng lượng trong DFIG khi bỏ qua tổn thất. Chỳng ta dễ dàng thấy rằng năng lượng stato và rotor cú liờn hệ chặt chẽ với nhau thụng qua độ trượt s (Pr≈ −sPs).
Điều khiển hệ thống mỏy phỏt nguồn kộp
Cỏc thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với cỏc bộ điều khiển kiểu PI được trỡnh bày trong. Đặc điểm chung của cỏc phương phỏp này là cú thờm một thành phần bự kiểu feed-forowrd ở đầu ra của cỏc bộ điều khiển nhằm loại bỏ cỏc ảnh hưởng của lực phản điện động của mỏy. Chi tiết của vấn đề này được trỡnh bày trong [4]. Tuy nhiờn, tớnh năng của cỏc bộ bự feed-forowrd phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của cỏc hàm số của MPKĐBNK nờn thường khụng cú đường đặc tớnh làm việc lý tưởng trong thực tế do cỏc tham số MPKĐBNK cú thể bị biến đổi trong qua trỡnh làm việc. Một phương phỏp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khỏc là điều khiển dead-beat được trỡnh bày trong. Tuy nhiờn phương phỏp này dựa trờn việc giả thiết tần số rotor là hằng số trong phạm vi một chu kỳ trớch mẫu T, dẫn đến mụ hỡnh giỏn đoạn của MPKĐBNK là mụ
hỡnh tuyến tớnh hệ số hàm cho phộp thiết kế bộ điều khiển tuyến tớnh. Trỏnh việc sử dụng cỏc bộ bự feed-forward và để đảm bảo chất lượng bộ điều khiển tuyến tớnh. Để trỏnh việc sử dụng cỏc bộ bự feed-forward và để đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển trong khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, cỏc phương phỏp điều khiển phi tuyến đề nghị ỏp dụng cho điều khiển MPKĐBNK. Vấn đề này đó được trỡnh bày trong cỏc tài liệu. [15, 17]
Như đó trỡnh bày ở trờn, mặc dự hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tua bin giú phải gồm cả phần điều khiển tua bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy nhiờn đề tài này chỉ tập trung nghiờn cứu phần điều khiển MPKĐBNK. Hiện nay đó cú nhiều phương phỏp điều khiển MPKĐBNK được nghiờn cứu như phương phỏp tựa theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based).
3.1.4. Mỏy điện cảm ứng nguồn kộp
3.1.4.1. Cấu tạo và nguyờn lý làm việc của mỏy phỏt điện- Cấu tạo - Cấu tạo
Hỡnh 3.6,trỡnh bày cấu tạo của mỏy phỏt điện khụng đồng bộ
Hỡnh 3.6: Cấu tạo của phỏt điện
* Stato
Chức năng: tạo ra điện thế xoay chiều 3 pha nhờ sự thay đổi từ thụng khi rotor quay. Cỏc thành phần chớnh: Lừi stator, cuộn dõy stator, đầu ra.
Hỡnh 3.7: Stato của phỏt điện khụng đồng bộ
Lừi thộp stato được ộp bằng cỏc lỏ tụn silic dầy 0,5 mm, hai mặt cú phủ sơn cỏch điện. Dọc chiều dài lừi thộp cứ khoảng 3 ữ 6 cm lại cú một rónh thụng giú ngang trục rộng 10 mm.
Lừi thộp stato được cố định trong thõn mỏy. Thõn mỏy được chế tạo theo kết cấu khung thộp, mặt ngoài bọc bằng cỏc tấm thộp dỏt dày, trong thõn mỏy hỡnh thành hệ thống đường thụng giú làm mỏt mỏy.
Nắp mỏy được chế tạo từ thộp tấm hoặc gang đỳc. Ở cỏc mỏy cụng suất trung bỡnh và lớn, ổ trục đặt ở giỏ đỡ ổ trục riờng cố định trờn bệ mỏy.
Nhiệt sinh ra lớn nhất ở stator so với cỏc thành phần khỏc của mỏy phỏt, vỡ vậy dõy quấn phải phủ lớp chịu nhiệt rất tốt.
Cuộn dõy stator cú thể mắc theo hai cỏch (hỡnh 3.8).
+ Cỏch mắc kiểu hỡnh sao: cho ra điện thế cao, được sử dụng phổ biến. + Cỏch mắc kiểu tam giỏc: cho ra dũng điện lớn.
* Rotor
Chức năng : tạo ra từ trường và xoay để tạo ra sức điện động trong cuộn dõy stator. Cỏc thành phần chớnh : Lừi thộp rotor, cuộn dõy rotor (cuộn kớch từ).
Lừi thộp rotor làm bằng thộp hợp kim chất lượng cao, được rốn thành khối hỡnh trụ, sau đú gia cụng phay rónh để đặt dõy quấn kớch từ, phần khụng phay rónh làm thành mặt cực từ.
Dõy quấn kớch từ đặt trong rónh rotor, được chế tạo từ dõy đồng tiết diện hỡnh chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành cỏc bối dõy đồng tõm. Cỏc vũng dõy được cỏch điện với nhau bằng mica mỏng.
Để cố định và ộp chặt dõy quấn kớch từ trong rónh, miệng rónh được nờm chặt bằng cỏc thanh thộp phi từ tớnh. Phần đầu nối ngoài rónh cũng được đai chặt bằng cỏc ống thộp phi từ tớnh.
Hai đầu của dõy quấn kớch từ
đi luồn trong trục và nối với hai vũng trượt ở đầu trục, thụng qua hai chổi điện để đưa