L ỜI CẢM ƠN
2.3.2 Phương pháp điều khiển máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(Permanent Magnet Synchronous Generator – PMSG)
a) Khái quát về máy phát đồng bộnam châm vĩnh cửu:
Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ của rotor bằng với tốc độ của từ trường. Dây quấn stator được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rotor được kích từ bằng dòng điện một chiều. Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi.
40
Máy điện đồng bộ thường được dùng làm máy phát trong hệ thống điện với cơ năng được cung cấp bằng một động cơ sơ cấp (các loại turbine, động cơ kéo…). Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ, chỉ khác nhau ở chỗ là ởmáy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì cuộn kích từ trên rotor được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) được sử dụng từ những năm 1960 và chủ yếu là những động cơ có công suất nhỏ. Nguyên tắc của máy phát điện này là sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp nhiều cực trong một vòng khung và được gắn trực tiếp với hệ thống rotor như trong turbine điện gió Avantis, Enercon, Vensys hoặc đôi khi cũng có ởphía sau rotor như trong turbine điện gió Scanwind.
Do cơ năng của hệ thống rotor được truyền trực tiếp đến máy phát nên không cần hộp số như các hệ thống cũ trước đây. Tốc độ số vòng quay và công suất phụ thuộc vào số cặp cực. Đểđạt được công suất thiết kế, máy phát điện nam châm vĩnh cửu vì thếcó đường kính tương đối lớn. Với tốc độ số vòng quay thấp nhưng nguồn điện năng sản xuất cao, tác động mài mòn những chi tiết cơ giảm, trọng lượng giảm, độ bền hệ thống nâng cao, tiếng ồn thấp hơn so với turbine sử dụng hộp số. Những ưu điểm cơ bản khác là máy phát điện không cần nguồn điện kích từ, không cần bôi trơn bằng dầu, thời gian bảo trì ngắn.
41
b) Phương pháp điều khiển cơ bản hệ thống sử dụng PMSG:
Hệ thống sử dụng PMSG ngày nay đang phát triển mạnh do có ưu điểm cơ bản về khai thác triệt để năng lượng gió khi biến thiên, hiệu suất cao khi được kết nối trực tiếp với trục turbine không qua hộp tốc độ(Gear Box). Điện áp xoay chiều phát ra của máy phát thông qua bộ biến đổi để có điện áp xoay chiều phía lưới, khi đó bộ biến đổi sử dụng PMSG gọi là bộ biến đổi AC-AC. Tuy nhiên giá trị của tần sốvà điện áp phát ra của PMSG phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor, khi đó bộ biến đổi sử dụng trong hệ thống cần đưa ra điện áp và tần số phù hợp với lưới có giá trị cốđịnh.
Hệ thống PMSG có thểđược sử dụng các cấu hình như trong hình 2.9.
Hình 2.9a) là sơ đồ cơ bản của hệ PMSG khi sử dụng bộ chỉnh lưu 3 pha diode (diode rectifier) có điện áp 1 chiều Vdc tỉ lệ với điện áp ra của máy phát (hay tốc độ quay của rotor). Bộ biến đổi phía lưới (Grid side converter) thực chất là bộ nghịch lưu 3 pha sử dụng các khóa bán dẫn có điều khiển như Transistor, MOSFET, IGBT. Điện áp xoay chiều 3 pha đầu ra sẽ qua máy biến áp nối lưới. Tần số và giá trị của điện áp ra xoay chiều được điều khiển cố định theo lưới thông qua khối nghịch lưu điều khiển điều biến độ rộng xung PWM.
Hình 2.9b) so với hình a) thì điện áp xoay chiều PMSG phát ra sau khi qua bộ chỉnh lưu diode đưa đến bộbăm áp 1 chiều (chopper) rồi mới qua bộ nghịch lưu. Điện áp Vdc sau bộ băm áp 1 chiều được điều khiển bởi bộ điều khiển phía máy phát (Generation side control) có giá trị điện áp gần như không đổi làm cho việc điều khiển bộ nghịch lưu được đơn giản hơn khi điện áp ra của nghịch lưu có giá trị không đổi bằng điện áp lưới.
Hình 2.9c) so với hình a) thì bộ chỉnh lưu diode được thay bằng bộ chỉnh lưu tích cực có điều khiển, được gọi là bộ biến đổi phía máy phát. Điện áp Vdc được điều chỉnh khi điện áp máy phát biến thiên để cải thiện chế độ làm việc của bộ nghịch lưu, bộ biến đổi phía lưới, ổn định giá trị điện áp và tần số.
42
Hình 2.9: Các cấu hình cơ bản hệphong điện sử dụng PMSG: a) CL 3 pha dùng diode; b) CL 3 pha dùng diode và Chopper; c) CL tích cực.
43
Hình 2.10: Sơ đồ bộ chỉnh lưu tích cực sử dụng IGBT.
Trong sơ đồ chỉnh lưu tích cực trên hình 2.10 ở trên, từ “tích cực” để thể hiện rằng các bộ chỉnh lưu này có thểđiều khiển dòng nạp tụ cả vềbiên độ, tần số và góc pha, do đó bằng việc điều khiển dòng nạp tụ cùng tần số và pha so với điện áp lưới, các bộ chỉnh lưu tích cực cho phép bộ biến đổi hoạt động với hiệu suất truyền tải lớn nhất tức là cho ra hệ số công suất bằng một. Thêm nữa, các bộ chỉnh lưu tích cực cho phép bộ biến đổi hoạt động theo hai chiều truyền tải công suất với hai chế độ chỉnh lưu – nghịch lưu (BRB – Bi-Directional Reverse Blocking). Điều khiển các IGBT sử dụng các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP – Digital Signal Processing) theo các luật điều khiển hiện đại, ví dụ điều biến độ rộng xung theo vector không gian (SVPWM – Space Vector Pulse Width Modulation).
Sơ đồ sử dụng phần tử điện tử công suất hiện đại BRB-IGBT trong bộ AC- AC được thể hiện trên hình 2.11, có công suất cũng như dòng điện được điều khiển 2 chiều cho phép điều khiển truyền công suất từ máy phát đến nguồn hoặc ngược lại. Điều khiển các van BRB-IGBT sử dụng DSP theo SVPWM.
44
Hình 2.11: Sơ đồ bộ biến đổi AC – AC sử dụng BRB-IGBT.
c) Điều khiển máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ, vận hành ở chế độđộc lập:
Hình 2.12: a) Hệ thống dùng PMSG với bộ chỉnh lưu đơn giản nên phải có thêm mạch tải giả(Dump Load); b) Sơ đồ chi tiết mạch tải giả.
Trong trường hợp mất cân bằng giữa năng lượng do turbine lấy vào và năng lượng tiêu thụ phía phụ tải, khiến cho:
- Tốc độ quay của turbine có nguy cơ tăng cao.
- Điện áp UDC của mạch DC trung gian (Bus Voltage) tăng nguy hiểm cho các van.
Khi ấy Bộ xử lí tín hiệu số (Digital Signal Processing - DSP) sẽ kích hoạt
45
van bán dẫn. Đại lượng cần được điều khiển ổn định chính là điện áp UDC của mạch DC trung gian. Sơ đồ mạch tải giả như trên hình 2.12b. Việc điều khiển điện trở tải giả được thực hiện theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) với vòng DC kiểu 2 điểm, cài đặt trên DSP.
2.4 Kết luận chương
Nội dung trình bày ởtrên đã hệ thống được hầu hết các chức năng điều khiển cơ bản của một turbine gió và các phương pháp điều khiển máy phát sử dụng trong turbine. Có rất nhiều phương pháp điều khiển trong hệ thống turbine gió, tùy vào yêu cầu về kỹ thuật cũng như kinh tế mà ta lựa chọn phương pháp điều khiển cho phù hợp. Ởchương 3 ta sẽ đi vào nội dung chính là thiết kế bộđiều khiển PLC cho hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu PMSG.
46
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘĐIỀU KHIỂN PLC HỆ PMSG
3.1 Tìm hiểu chung về PLC 3.1.1 Giới thiệu chung về PLC