L ỜI NÓI ĐẦU
3.4.3.4. Tốc độ thay đổi, góc cắt thay đổi
Phương pháp điều khiển tốc độ thay đổi, góc cắt thay đổi đang ngày càng trở nên thông dụng trong các turbine thương mại. Trong phương pháp này, turbine được lập trình vận hành với tốc độ thay đổi, góc cắt không đổi ở tốc độ gió dưới định mức, và góc cắt thay đổi ở tốc độ gió trên định mức. Cả phương pháp pitch-to- feather và pitch-to-stall đều có thể được áp dụng. Hình 3.22 mô tả phương pháp điều khiển VS pitch-to-feather trong mặt phẳng momen-tốc độ quay.
Ở tốc độ gió thấp turbine gió làm việc trên đường cong công suất cực đại giữa điểm A và điểm B. Tại điểm B tốc độ quay đạt đến giới hạn trên ΩN. Do đó tốc độ quay được điều chỉnh giá trị trên đoạn BC bởi tốc độ gió tăng từ VΩN đến VN. Ở tốc độ gió trên tốc độ này người ta điều khiển góc cắt để giữ cho turbine làm việc tại
điểm C. Chú ý rằng trên đoạn BC cho đến xuống điểm C’ là điểm giao nhau giữa đường cong hyperbol công suất định mức với đường parabol hiệu suất công suất cực đại nằm về bên trái tốc độ quay giới hạn. Trong trường hợp này điểm làm việc dịch chuyển trên đường cong AC’.
Hình 3.22: Phương pháp điều khiển cơ bản VS-VP theo kiểu (Pitch-to-feather)
Tốc độ thay đổi làm tăng năng lượng thu được tại những tốc độ gió thấp trong khi thay đổi góc cắt ta sẽ điều chỉnh được hiệu suất công suất tại những tốc độ gió cao hơn. Chú ý rằng phương pháp điều khiển này cũng đạt được đường cong công suất lý tưởng như hình 3.9. Thêm vào đó việc thay đổi góc cắt sẽ làm giảm tải tức thời. Phương pháp điều khiển này cùng với phương pháp VS-FP đặc biệt dùng cho những turbine gió có công suất lớn. Hơn nữa việc điều khiển đồng thời góc cắt và tốc độ ở trên tốc độ gió định mức, mang lại lợi ích quan trọng về hiệu suất động học của hệ thống điều khiển năng lượng gió trong điều kiện gió lớn.
3.5. Kết luận
Qua các phân tích hệ thống điều khiển trong chương này đã thu được kết quả sau:
1. Xây dựng mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió với bốn hệ thống cơ bản: Hệ thống cơ, hệ thống khí động học, hệ điện và hệ thống Pitch servos, trình bày chức năng nhiệm vụ của từng hệ thống.
2. Trình bày các phương pháp kết nối lưới: Xuất phát từ yêu cầu thu được năng lượng gió tối đa, đồng thời đảm bảo chất lượng điện áp, với ba phương pháp kết nối lưới kết hợp đưa ra phân tích các phương pháp điều khiển.
3. Phân tích các phương pháp điều khiển trong một nhà máy điện gió. Từ đó có thể khẳng định rằng việc điều khiển góc cắt cánh (điều khiển pitch) của một turbine gió là giải pháp quan trọng để turbine gió thích ứng với điều kiện tốc độ gió lớn.
4. Khảo sát đường cong công suất theo tốc độ gió. Đặc điểm chung của các phương pháp điều khiển cho thấy:
- Ở những vùng tốc độ gió thấp, tốc độ gió tăng thì công suất phát ra tăng theo và luôn thấp hơn công suất hoạt động;
- Khi tốc độ gió đạt tới tốc độ gió làm việc, nếu tốc độ gió tăng thì công suất phát vẫn gần như không thay đổi;
- Khi tốc độ gió tăng lên trên vùng tốc độ làm việc thì công suất phát ra sẽ bằng 0.
5. Căn cứ vào các nội dung phân tích ở chương này, nhận thấy phương pháp kết nối lưới bằng sơ đồ máy phát điện không đồng bộ nguồn kép là chiếm ưu thế hơn cả để xây dựng một nhà máy điện gió có công suất trung bình đến lớn (hàng MW). Do vậy, sơ đồ kết nối lưới của máy phát không đồng bộ nguồn kép là sơ đồ có nhiều ưu điểm và phù hợp với yêu cầu sản xuất điện ngày nay đòi hỏi các nhà máy có công suất ngày càng lớn. Từ đó, ta đi nghiên cứu và mô phỏng mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG hay WTDFIG) với nội dung cụ thể được đề cập ở chương 4.
CHƯƠNG 4
SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATLAB - SIMULINK ĐỂ MÔ
PHỎNG MÔ HÌNH KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN CỦA MÁY PHÁT
KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 4.1. Giới thiệu chương trình Matlab - Simulink
Matlab là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MathWorks" viết ra. Matlab có hơn 25 Tools box để trợ giúp cho việc nghiên cứu, ứng dụng lập trình, tính toán, thiết kế trong rất nhiều chuyên ngành khác nhau, ví dụ như: Điện, điện tử, viễn thông, kinh tế, thống kê...
Simulink là một phần mềm mở rộng được tích hợp trong chương trình của Matlab (là 1 Toolbox của Matlab) với mục đích dùng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống động học. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác. Simulink có một thư viện các khối rất phổ biến như các nguồn tín hiệu, các hệ thống điều khiển, các hệ thống biến đổi điện tử công suất, các loại hiển thị, các thành phần tuyến tính và phi tuyến, các bộ nối... Người sử dụng cũng có thể tùy biến, ứng dụng để tạo ra khối thư viện riêng cho họ. Để mô hình hoá, Simulink cung cấp cho chúng ta một giao diện đồ họa để sử dụng và xây dựng mô hình dùng thao tác "nhấn và kéo" chuột thả trên màn hình. Với giao diện đồ họa ta có thể xây dựng mô hình và khảo sát một cách trực quan. Đây là sự khác xa các phần mềm trước đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình cổ điển nào đó.
Sau khi xây dựng xong mô hình trên Simulink, ta có thể chạy mô phỏng và cho ra các kết quả mà có thể theo dõi được kết quả mô phỏng một cách trực quan, các kết quả này được cập nhật cùng với sự thay đổi của các tham số sử dụng trong mô hình. Rồi từ đó đưa ra kết luận, đánh giá so sánh kết quả với yêu cầu mà chúng ta cần thực hiện.
Hình 4.1: Cửa sổ Matlab và các tool Simulink
4.2. Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép xây dựng trong chương trình Matlab - Simulink Matlab - Simulink
Hình 4.2: Sơ đồ khối mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép nối lưới
Các thành phần trong Simulink
Mô tả sơ đồ.
Đây là mô hình nhà máy điện gió dùng sơ đồ máy phát không đồng bộ nguồn kép kết
nối lưới điện có quy mô như sau: Nhà máy có tổng công suất phát là 9MW bao gồm 06 tổ
máy, mỗi tổ máy có công suất định mức là 1,5MW qua 06 máy biến áp 0,575kV/25kV nâng điện áp lên 25kV và cung cấp công suất vào lưới điện có cấp điện áp 120kV qua
đường dây 25kV có chiều dài 30km. Một nhà máy nhỏ có công suất 2MVA được kết nối
vào thanh cái 25kV như một ngăn lộ. Một phụ tải tự dùng 500kW được nối vào thanh cái tại đầu cực máy phát điện áp 0,575kV. Hệ thống lưới điện ở cấp điện áp 120kV có tổng
công suất là 2500MVA.
4.3. Các khối thành phần của máy phát không đồng bộ nguồn kép
4.3.1. Turbine gió và máy phát
Hình 4.3: Khối turbine gió và máy phát
Hệ thống turbine gió và máy phát điện ở hình trên (hình 4.4) gọi là hệ thống turbine gió và máy phát điện kiểu cung cấp cảm ứng kép (Máy phát điện cảm ứng kiểu cung cấp kép- DFIG). Bộ chuyển đổi AC/DC/AC được phân làm hai thành phần: Bộ chuyển đổi phía rotor (Crotor) và bộ chuyển đổi phía lưới (Cgrid). Crotor và Cgrid là các bộ chuyển đổi nguồn điện áp sử dụng thiết bị biến đổi điện tử công suất (IGBTs) để kết hợp điện áp xoay chiều từ nguồn áp một chiều. Một tụ điện nối vào phía điện một chiều hoạt động như một nguồn điện. Cuộn cảm kết nối L được sử dụng để kết nối bộ chuyển đổi Cgrid tới lưới. Cuộn dây rotor 3 pha được nối với bộ chuyển đổi Crotor bởi vòng trượt và chổi than, còn cuộn dây stator 3 pha được nối trực tiếp vào lưới điện. Năng lượng thu được từ turbine gió được chuyển sang năng lượng điện nhờ máy phát điện cảm ứng để truyền tải công suất lên lưới điện. Hệ thống điều khiển phát tín hiệu độ dốc góc pha (Vr) và tín hiệu điện áp (Vgc) tới bộ chuyển đổi Cgrid và Crotor để điều khiển năng lượng của turbine gió, điện áp thanh cái (nút) một chiều và công suất phản kháng hoặc điện áp của lưới điện.
Dòng công suất phân bố như trên hình 4.5:
Hình 4.5: Sơ đồ phân bố chiều công suất máy phát điện với mô hình DFIG
Các thông số được sử dụng trong hình 4.5: Pm: Công suất cơ của turbine gió.
Ps: Công suất điện đầu ra của stator. Pr: Công suất điện đầu ra của rotor.
Pgc: Công suất điện đầu ra của Cgrid.
Qs: Công suất phản kháng đầu ra của stator. Qr: Công suất phản kháng đầu ra của rotor. Qgc: Công suất phản kháng đầu ra của Cgrid. Tm: Mô men cơ của rotor.
Tem: Mô men điện từ rotor máy phát. r : Tốc độ quay rotor.
s : Tốc độ đồng bộ.
J: Hệ số quán tính phức hợp rotor và turbine gió.
Công suất cơ của turbine và công suất điện đầu ra của stator được tính như sau:
Pm = Tm.r (4.1)
Ps = Tem. s (4.2)
Bỏ qua tổn thất máy phát thì tính toán như sau:
J Tm - Tem (4.3) Với tốc độ không đổi bỏ qua tổn thất máy Tm = Tem và Pm = Ps + Pr Khi đó:
Pr = Pm - Ps = Tm.r -Tem.s = - Tm -sTm.s = -S Ps (4.4)
Hệ số trượt máy phát s= (4.5)
Tổng quát, giá trị tuyệt đối của hệ số trượt s nhỏ hơn 1, vì thế Pr tỷ lệ với Ps. Khi Tm xác định, s xác định là hằng số cho hằng số tần số điện áp lưới, Pr là hàm của s.
Công suất Pr được truyền tới tụ điện và có xu hướng làm tăng điện áp một chiều (DC). Cgrid được sử dụng để phát công suất Pgc và giữ cho điện áp một chiều không đổi. Trong chế độ xác lập, tổn thất bộ biến đổi được bỏ qua: Pgc = Pr năng lượng của gió đã được Crotor hấp thụ qua công suất Pr.
Tần số pha của điện áp xoay chiều phát bởi bộ Crotor là cùng pha với tốc độ đồng bộ.
Crotor và Cgrid có khả năng phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng và có thể dùng để điều khiển công suất phản kháng hoặc điện áp lưới.
4.3.2. Hệ thống điều khiển rotor
Điều khiển công suất:
Công suất được điều chỉnh để thích hợp với đường đặc tính công suất - tốc độ xác định trước, gọi là đường đặc tính điều chỉnh. Một ví dụ về đường đặc tính được thể hiện trên hình bằng đường cong gấp khúc ABCD, có thể xác định đặc tính cơ của turbine và thiết lập từ các tốc độ gió khác nhau. Tốc độ thực tế của turbine đo được và công suất cơ tương ứng với đường đặc tính được sử dụng để tham chiếu công suất cho vòng lặp điều khiển công suất. Đường đặc tính công suất được xác định bởi bốn điểm A, B, C, D. Từ điểm tốc độ 0 đến điểm tốc độ A thì tham chiếu tương ứng công suất bằng 0. Giữa điểm A và điểm B của đường đặc tính là một đường thẳng, tốc độ VB > VA. Giữa điểm B và điểm C của đường đặc tính là quỹ tích những điểm có công suất lớn nhất. Đường đặc tính từ C đến D là một đoạn thẳng, VD > VC và tương ứngPD = 1pu.
Hình 4.6: Đặc tính công suất – tốc độ của turbine gió
Một vòng lặp điều khiển công suất tổng quát được biểu diễn trên hình 4.7 gọi là hệ thống điều khiển bộ chuyển đổi rotor. Giá trị thực tế của công suất điện đầu ra, đo được ở điểm kết nối lưới của turbine gió, đã được cộng với tổng tổn thất (cơ và điện) và được so sánh với công suất tham chiếu (reference power) được xác định từ đường đặc tính hình 4.6. Bộ điều chỉnh tích phân đối xứng được sử dụng để làm giảm sai số công suất về giá trị 0. Đầu ra của bộ điều chỉnh là dòng điện rotor Iqr-ref, dòng điện này được truyền vào rotor từ bộ Crotor. Đây là thành phần dòng điện được sinh ra từ mô men điện từ Tem. Giá trị thực tế của thành phần thứ tự thuận của Iqr được so sánh với Iqr-ref và sai khác sẽ được giảm về không bằng bộ điều chỉnh dòng. Giá trị đầu ra của các bộ điều khiển dòng là điện áp Vqr ở đầu ra của Crotor . Bộ điều khiển dòng được trợ giúp bởi các thành phần định hướng, các định hướng cho Vqr.
Điện áp và công suất phản kháng tại nút nối với lưới được điều khiển theo dòng phản hồi trong bộ biến đổi Crotor . Vòng lặp điều khiển tổng quát được minh họa trên hình (hình 4.7) được gọi là hệ thống điều khiển biến đổi phía rotor.
Khi turbine gió vận hành ở chế độ điều chỉnh điện áp nó thực hiện dựa theo đặc tính V-I trên hình 4.8 (gọi là đặc tính V-I turbine gió).
Hình 4.8: Đặc tính V-I của turbine gió
Để ngăn cản dòng điện phản hồi kéo dài với các trị số dòng cực đại (-Imax, Imax) được đặt bằng bộ giới hạn biến đổi, điện áp được điều chỉnh bằng điện áp tham chiếu.
Tuy vậy, với một độ sụt điện áp thông thường được dùng (khoảng từ 1% đến 4% ở đầu ra công suất phản kháng cực đại) và đặc tính V-I thể hiện độ dốc trên hình 4.8 được gọi là đặc tính V-I (đặc tính điện áp – dòng điện) của turbine gió. Trong chức năng điều chỉnh điện áp, đặc tính V-I được mô tả theo công thức sau: V = Vref + Xs.I (4.6)
Trong đó:
V: Điện áp thứ tự thuận (pu);
I : Dòng điện phản hồi (pu/Pnom) (I >0 chỉ thỉ một dòng cảm ứng); Xs: Điện kháng (pu/Pnom);
Pnom: Công suất danh định 3 pha của bộ biến đổi theo lý thuyết trong hộp thoại khối.
- Imax Dòng điện dung Imax Dòng cảm ứng I V Dòng phản hồi Vref
Khi turbine vận hành ở chế độ điều chỉnh var, công suất phản kháng của lưới được giữ không đổi bằng bộ điều chỉnh var.
Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp hoặc bộ điều chỉnh var là dòng điện dọc trục tham chiếu ( Idr_ref ), nó được bơm vào rotor bằng bộ biến đổi Crotor. Bộ điều chỉnh dòng điện giống như bộ điều khiển công suất, được dùng để điều chỉnh thành phần thực của dòng điện thứ tự thuận tới giá trị chuẩn của nó (giá trị tham chiếu). Đầu ra của bộ điều chỉnh này là điện áp thành phần dọc trục Vdr được phát bởi bộ Crotor. Bộ điều chỉnh dòng điện được hỗ trợ bởi nguồn cung cấp dữ liệu định trước mà đã được dự đoán Vdr.
Với Vdr và Vqr là hai thành phần dọc trục và ngang trục của điện áp Vr.
4.3.3. Hệ thống điều khiển phía lưới điện
Bộ biến đổi Cgrid được sử dụng để điều chỉnh điện áp một chiều tại nút tụ điện. Ngoài ra, phương thức này cho phép sử dụng Cgrid để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 4.8 (hệ thống điều khiển biến đổi phía lưới) bao gồm:
+ Hệ thống đo lường đo các thành phần d và q (dọc trục và ngang trục) của thành phần thứ tự thuận dòng điện xoay chiều nhằm điều khiển như là điện áp một chiều Vdc.
+ Vòng điều khiển ngoài chứa bộ điều chỉnh điện áp DC. Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp DC là dòng điện tham chiếu Idgc_ref , dòng điện điều chỉnh (Idgc= thành phần dòng điện cùng pha với điện áp lưới, là dòng điện điều khiển công suất tác dụng).
+ Vòng điều khiển trong chứa bộ điều chỉnh dòng điện. Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển biên độ và góc pha điện áp được phát ra bởi bộ biến đổi Cgrid (Vgc)