5.2 Phân tích về chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió trong mô hình 5.3 Phân tích các khố i bên trong bộ DFIG
5.4 Phân tích khố i bên khố i máy điệ n không đồ ng bộ
5.5 Phân tích các khố i bên khố i điề u khiể n
5.6 Khố i Grid side converter - GSC (Wind_dfig_grid) 5.7 Khố i Rotor side converter - RSC (Wind_dfig_rotor) 5.8 Khố i Converter Power
5.9 Khố i DC Bus
CHƯ Ơ NG 5: MÔ HÌNH HÓA MÁY PHÁTĐIỆ N GIÓ DFIG 5.1 Mô phỏ ng máy phát điệ n gió DFIG 1.5 MW:
Việ c mô phỏ ng máy phát điệ n gió chúng ta sử dụ ng mô hình có sẵ n trong
Matlab như hình dư ớ i đây để chứ ng minh lý thuyế t vầ tố i ư u hóa phát công suấ t như đã đề cậ p ở chư ơ ng 4. Tuy nhiên các thông số củ a mô hình cầ n phả i có mộ t số điề u chỉ nh và khai báo lạ inhư sau:
Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏ ng máy phát điệ n gió DFIG 1,5 MW trong hệ thố ng điệ n.
Để mô phỏ ng máy phát điệ n gió chúng ta thiế t lậ p mộ t số tham số mô phỏ ng choDFIG đư ợ c khai báo trong hộ p thoạ i thông số củ a máy phát gió.
Thông số củ a máy phát gió đư ợ c thiế t lậ p như sau:
- Vậ n tố c gió trung bình cho DFIG hoạ t độ ng v = 5-14 (m/s) - Vậ n tố c gió thấ p nhấ t và lớ n nhấ t v= 0-40 (m/s)
- Phạ m vi điề u chỉ nh góc pitch β =0-45o
- Điệ n áp stator củ a máy phát: U = 575 V (V1_B575)
- Công suấ t tác dụ ng máy phát DFIG P = 1,5 MW
- Công suấ t phả n kháng Q =-0.25 0.25 MVAr - Dòngđiệ n I = 1500 A = 1 pu (I1-B575)
- Hệ số công suấ t Cos = 0.9
- Điệ n áp thanh cái DC: VDC= 1200 V - Điệ n dung tụ điệ n C=0,012 F
- Điệ n trở stator Rs= 0.00706 - Điệ n cả m tả n stator Lls= 0.171 - Hỗ cả m Lm= 2.9
- Điệ n trở rotor quy đổ i R’r= 0.005 - Điệ n cả m tả n rotor quy đổ i L’lr= 0.156 - Số đôi cự c: p = 3
Thông số củ a bộ Converter:
- Hiệ u suấ t cự c đạ i bộ Converter: = 0.5 - Điệ n áp VDC= 1200 V
- Dung lư ợ ng tụ điệ n C giữ a hai bộ Converter: C = 0.012 F
- Thông số turbin (Control parameter):
- Bỏ qua tổ n thấ t công suấ t, công suấ t cơ trên trụ c turbin P = 1.5 MW
- Công suấ t tạ i điể m vậ n hành C: 0.73xPđm
- Tố c độ gió tạ i điể m vậ n hành C : vwind = 12 (m/s) - Hệ số điề u chỉ nh góc pitch: Kp = 500
- Tố c độ điề u chỉ nh vậ n tố c gió 2 (deg/s)
Thông số bộ điề u khiể n (Control parameter):
Thông số điề u khiể n– Điệ n áp đị nh mứ c
- Dòngđiệ n tham chiế u phát bở i bộ GSC: Iq_ref= 0 (A) - Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp lư ớ i Kp = 1.25 Ki = 300
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI công suấ t Kp = 1 Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp thanh cái DC Kp = 0,002 Ki = 0,05
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI trên Converter phía lư ớ i(GSC) Kp = 1 Ki = 100 - Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI trên Converter phía rotor (RSC) Kp = 0,3 Ki = 8 Thông số điề u khiể n - Công suấ t phả n kháng
- Công suấ t phả n kháng tham chiế u Qref= 0 (Mvar)
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PIcông suấ t phả n kháng Kp = 0.05 Ki = 5
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI công suấ t Kp = 1 Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI điệ n áp thanh cái DC Kp = 0,002 Ki = 0,05
- Hệ số điề u chỉ nhkhố i PI dòngđiệ n trên Converter phía lư ớ i (GSC) Kp = 1; Ki = 100
- Hệ số điề u chỉ nh khố i PI dòng điệ n trên Converter phía rotor (RSC) Kp=0,3; Ki = 8
5.2 Phân tích về chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió trong mô hình:
Hình 5.3: Cấ u hình khố i chuyể n năng lư ợ ng gió thành moment cơ
Viế t dư ớ i dạ ng đạ o hàm công suấ t gió đư ợ c tính như sau:
2 2 2 2 1 ) ( 2 1 2 1 Av v AV v t m t E P k w W ρ ρ (5.1) Vớ i ρ là tỷ trọ ng củ a không khí.
V là thể tích khố i lư ợ ng không khí đi qua mặ t cắ t ngang hình tròn diệ n tích A,
bán kính r trong thờ i gian t.
Công suấ t cơ củ a turbin gió trên trụ c rotor đư ợ c theo công thứ c:
3 1 ( , ) ( , ) 2 m p w p w T C λ β P C λ β ρAV (5.2)
Trong đó Pm là công suấ t cơ đầ u ra (W), phụ thuộ c vào hiệ u suấ t Cp(λ , β ). Chỉ
số Cp phụ thuộ c vào tỷ số tố c độ λ và góc cắ t β , và nó quyế t đị nh lư ợ ng độ ng năng có thể đư ợ c gom bở i hệ thố ng turbine gió. Mô hình phi tuyế n mô tả cách tính Cp(λ , β ) như sau: Hình 5.4: Cấ uhình các khố i tính Cp Khố i Fcn1 để tính:Cp( ,β ) = c1(c2–c3β –c4β 2–c5)e-C6 (5.3) Ở đây; c1= 0.5, c2 = 116/ i, c3 = 0.4, c4= 0, c5 = 5, c6= 21/ ivà: Khố i Fcn để tính: 1 0.0353 0.08 1 i λ λ β β (5.4)
Do sự phụ thuộ c vào λ và β , nên giá trị củ a Cp (0.2-0.4) có thể đư ợ c đạ t đế n cự c đạ i thông qua việ c điề u khiể n góc cắ t và và điề u chỉ nh vậ n tố c rotor tạ i mộ t cộ t mố c tố c độ gió xác đị nh.Đây chính là mộ t trong nhữ ng yêu cầ u củ a MPPT.
Do đó, công suấ t đầ u ra đư ợ c quyế t đị nh bở i các giá trị Cpkhác nhau và vậ n tố c rotor tạ i các tố c độ gió khác nhau, do đó luôn tồ n tạ i giá trị công suấ t cự c đạ i ứ ng vớ i mỗ i giá trị tố c độ gió – Đây là cơ sở để xây dự ng đồ thị công suấ t tố i ư u Popt.
Mô hìnhđiề u khiể n công suấ t tố i ư u dự a vào vậ n tố c góc rotor r (thuộ c khố i
Control):
Mô hìnhđiề u khiể n góc pitch β (thuộ c khố i Control):
Hình 5.5: Cấ uhình khố i Generator & Converterturbin gió DFIG
Bên trong củ a máy phát gió DFIG 1.5 MW gồ m 02 bộ chuyể n đổ i AC/DC/AC đư ợ c chia làm hai phầ n: Bộ chuyể n đổ i trên rotor (Crotor-RSC) và bộ chuyể n đổ i trên
lư ớ i (Cgrid-GSC).
Cả hai bộ chuyể n đổ i (Crotor) và (Cgrid) đề u là chuyể n đổ i điệ n áp dùng IGBT và
đư ợ c kế t nố i thông qua mộ t nguồ n DC ở giữ a. Hệ thố ng điề u khiể n sẽ điề uchỉ nh điệ n áp điề u khiể nVr và Vgc để điề u khiể n hai bộ : (Crotor) và (Cgrid) qua đó đáp ứ ng công
suấ t tác dụ ng, phả n kháng, giữ ổ n đị nh điệ n áp trên thanh cái VDCvà điệ n áp trên lư ớ i.
Trong phầ n này, trình bày phư ơ ng pháp điề u khiể n củ a mộ t hệ thố ng tua bin gió phát điệ n DFIG. Đầ u tiên, việ c điề u khiể n bộ converter phía lư ớ i điệ n(Cgrid-GSC) có thể đạ t đư ợ c mộ t hệ số công suấ t nhìn từ phía lư ớ i, trong khi vẫ n giữ điệ n áp VDC
cố đị nh. Thứ hai, là việ c điề u khiể n đị nh hư ớ ng trư ờ ng ở phía rotor (Crotor-RSC) củ a máy phát điệ n, trong đó bao gồ m cả việ c điề u khiể n các hoạ t độ ng bên trong stator nhằ m phát công suấ t tác dụ ng và công suấ t phả n kháng lên lư ớ i điệ n bằ ng cách điề u
chỉ nh dòng iqrvà idrcủ a rotor.
5.4 Phân tích khố i bên khố i máy điệ n không đồ ng bộ :
Đầ u vào bao gồ m:
Điệ n áp Vabc=575 V đư ợ c nhậ p tạ i thông số củ a khố i DFIG
Moment cơ Tmđư ợ c tính từ khố i chuyể n đổ i năng lư ợ ng gió ở trên.
Điệ n áp rotor trong hệ quy chiế u dq : Vdqr
Tín hiệ u ngắ t (trip)đư ợ c thêm để máy phát cả mứ ng có thể cắ t từ lư ớ i hoặ c từ
bộ Crotor. Tín hiệ u đầ u vào trip chia thành 2 mứ c (tín hiệ u digital), mứ c 1:tác độ ng ngắ t DFIG khỏ i hệ thố ng, mứ c 0 : DFIG hoạ t độ ng bình thư ờ ng.
Đầ u ra bao gồ m:
Tố c độ rotor máy phát r , dòng điệ n rotor trong hệ quy chiế u dq : Idq_rotor , dòngđiệ n stator trong hệ quy chiế u dq : Ia_stator, Idq_stator, Ib_stator
Các phư ơ ng trình toán trong mô hình trên:
Chuyể n đổ i điệ n áp statortừ hệ quy chiế u abc sang hệ quy chiế u quay dq:
d
2 2 4
u u cos cos cos
3 3 3
2 2 4
u u sin sin sin
3 3 3 a a b a c a q a a b a c a u u u u π π θ θ θ π π θ θ θ
Tín hiệ u Tm(moment cơ ) đư ợ c dùng để tính tố c độ rotor máy phát r(trong hệ
quy chiế u tư ơ ng đố i) moment điệ n từ Te, và góc r.
Khố i Positive Sequence gồ m 3 khố i nhỏ là: Khố i Stator, Rotor và Mutual fluxes. Khố i Mutualfluxesdùng để tính mtrong hệ quy chiế u dq.
Hình 5.8: Các khố i trongPositive Sequence
Khố i Stator:
Dòngđiệ nstator biể u diễ n trong hệ quy chiế u dq:
ds md qs mq ds s qs s i LI i LI ϕ ϕ ϕ ϕ
Điệ n áp stator biể u diễ n trong hệ quy chiế u dq
ds ds s ds qs qs qs s qs ds d V R i dt d V R i dt ψ ωψ ψ ωψ
Phư ơ ng trình từ thông cho cuộ n dây stator :
d s L is d s L im d r
ψ
qs L is qs L im qr
ψ
Khố i rotortư ơ ng tự như khố i stator:
Phư ơ ng trình từ thông cho cuộ n dây rotor :
d r L ir d r L im d s
ψ
qr L ir qr L im qs
ψ
Phư ơ ng trìnhđiệ n áp rotor biể u diễ n trong hệ quy chiế u dq:
( ) dr dr r dr r qr d V R i dt ψ ω ω ψ
( ) qr qr r qr r dr d V R i dt ψ ω ω ψ
5.5 Phân tích các khố i bên khố i điề u khiể n:
Hình 5.9b : Các khố i bên trong khố i điề u khiể n
Bên trong khố i Control gồ m các khố i con như sau: Khố i Positive sequence,
khố i RSC, khố i GSC và khố i Converter voltage
Khố i Positive sequence voltage phase angle: chuyể n điệ n áp 3 pha tạ i thanh
cái B1 trong hệ quy chiế u abc thành mộ t vector điệ n áp Vdqvà góc lệ ch .
Hình 5.10 :Sơ đồ khố iPositive sequence
0 0 120 120 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 3 j j a b c v t v t v t e v t e
Sau đó chuyể n vector V1thành tọ a độ cự c để lấ y giá trị tuyệ t đố i VB1và góc quay (hệ quy chiế u α β ). Ngoài ra vector V1 tách thành Vd và Vqtrong hệ quy chiế u
dq.
5.6 Khố i Grid side converter-GSC (Wind_dfig_grid):
Khố i Grid side converter dùng để tính điệ n áp điề u khiể n cho bộ Converter
phía lư ớ i. Nhiệ m vụ củ a khố iGrid side converter đư ợ c dùng để giữ điệ n áp trên thanh cái DCổ n đị nh.
Hình 5.12 :Sơ đồ khố iGrid side converter.
Đây chính là bộ điề u khiể n Grid side converter: có nhiệ m vụ thu thậ p tín hiệ u điệ n áp lư ớ iVg(VB1)và góc pha điệ n áp , dòngđiệ n từ phía lư ớ iIg(Igrid)–Iq_ref,điệ n
áp tụ điệ n VDC.Đầ u ra là điệ n áp điề u khiể n bộ Converter phía lư ớ i. Điệ n áp điề u khiể n phía lư ớ i sẽ cho bở i sơ đồ sau:
Như sơ đồ bên trên tỉ số điề u chế m:
2 2 3 nom D C V m V
Vnom: Điệ n áp dây đị nh mứ c thanh cái B1 phía lư ớ i
VDC: Điệ n áp tụ điệ n DC.
Hình 5.13:Sơ đồ nguyên lý điề u khiể n điệ n áp Vrcủ a bộ RSC
Hình 5.14: Mô hình khố i tínhđiệ n ápđiề u khiể n Vrcủ a bộ RSC
Đầ u vào là vậ n tố cgóc củ a rotor r, dòngđiệ n rotor, dòng điệ n stator, điệ n áp
VDC, góc pha điệ n áp lư ớ i , dòngđiệ n lư ớ i, công suấ t tác dụ ng, công suấ t phả n kháng
phát ra, công suấ t phả n kháng tham chiế u. Đầ u ra là điệ n áp điề u khiể n Vdq_control_rotor.
Điề u khiể n công suấ t tác dụ ng:
Công suấ t tác dụ ng đư ợ c tố i ư u hóa dự a vào vậ n tố c góc củ a rotor r, từ đó
công suấ t tác dụ ng đầ u ra máy phát, dòng stator, rotor, dòng điệ n lư ớ i.. chúng ta tính đư ợ c giá trị tham chiế u Iqr_ref.
3 3 3 v i v i v i i 2 2 2 m s ds ds qs qs qs qs s qr s L P V L
Từ biể u thứ c trên ta nhậ n thấ y công suấ t tác dụ ng có thể điề u khiể n độ c lậ p
thông qua iqs hoặ c iqr.
Điề u khiể n công suấ tphả n kháng:
Từ mô hình trên ta nhậ n thấ y công suấ t phả n kháng có thể điề u khiể n độ c lậ p
thông qua thành phầ nidr. Dòngđiệ n idr đư ợ c tính toán dự a trên công suấ t phả n kháng
tham chiế u bằ ng 0 và công suấ t phả n kháng đo đư ợ c tạ i đầ u ra máy phát điệ n gió
DFIG.
Hình 5.15: Khố i Converter Voltage
Việ c đư a tín hiệ u điệ n áp điề u khiể n qua bộ nghị ch lư uáp cho ra điệ n áp mong
muố n ở phía lư ớ i và phía rotorđư ợ c cho bở i công thứ c sau: 3 2 2 3 2 2 DC dqg dkg nom DC dqr dkr nom V V v V V V v V
5.8 Khố i Converter Power
Hình 5.16: Mô hình củ a khố i Converter Power
Khố i chuyể n đổ i công suấ t dùng tín hiệ u đầ u vào là điệ n áp lư ớ i bộ Converter