Lõi thép rotor

b. Dây quấn rotor

Có 2 loại:

 Loại rotor kiểu dây quấn:

Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao, cịn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngồi. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.

 Loại rotor kiểu lồng sóc:

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay bằng nhôm dài ra lõi thép và được nối tắt lại ở 2 đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc. Dây quấn kiểu lồng sóc khơng cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện đặc tính mở máy, rãnh rotor có thể dùng dạng rãnh sâu hoặc dạng rãnh kép.

Hình 4.11. Thanh dẫn của rotor lồng sóc

c. Trục máy

Trục máy điện mang rotor quay trong lòng stator. Trục máy điện tùy theo kích thước có thể chế tạo từ thép cacbon C5 đến C45. Trên trục của rotor có lõi thép, dây quấn, vành trượt và quạt gió.

4.3.2. Mơ tả tốn học của máy phát điện không đồng bộ Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ: Tốc độ của từ trường quay máy phát điện không đồng bộ:

𝑁𝑠 =60𝑓 𝑝 (𝑣ò𝑛𝑔

𝑝ℎú𝑡) (4.3) Trong đó:

p: là số cặp cực từ

Từ trường quay quét qua các thanh dẫn rotor và cảm ứng trong rotor sức điện động, e:

𝑒 = −𝑑𝜃

𝑑𝑡

Sự tương tác dịng điện rotor và từ thơng tạo ra một moment với độ lớn của moment được xác định như sau:

𝑇 = 𝐾∅𝐼2𝑐𝑜𝑠𝜑2 (4.4)

Trong đó:

K: là hệ số tỷ lệ máy phát : là độ lớn từ thông (Wb)

I2: là độ lớn dịng điện phần ứng

 : là góc lệch pha giữa áp và dòng của rotor Hệ số trượt, s:

𝑆 = 𝑁𝑠−𝑁𝑟

𝑁𝑠 (4.5)

Nr : là tốc độ quay của rotor Ns : là tốc độ từ trường quay

Điện trở stator quy đổi về rotor:

𝑅1 = 𝑅21−𝑆

𝑆 (4.6)

𝑃𝑒𝑚 = 3𝐼22𝑅21−𝑠 𝑠 (4.7) Moment quay: 𝑇𝑒𝑚 =𝑃𝑒𝑚 𝜔 (4.8) Trong đó: :là tốc độ góc của rotor  =2πNs(1−s) 60 (4.9)

Khi đó: moment của rotor được viết lại như sau:

𝑇𝑒𝑚 = 180

2𝜋𝑁𝑠𝐼22 𝑅2

𝑠 (4.10)

Khi s < 0, thì tốc độ của rotor máy phát điện lớn hơn tốc độ từ trường quay. Sơ đồ tương đương thay thế của máy phát điện không đồng bộ của hệ tọa độ d-q trong khung tham chiếu đồng bộ được biểu diễn trong hình 4.13.

a) Sơ đồ mạch tương đương trục d

b) Sơ đồ mạch tương đương trục q

Hình 4.13. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không đồng bộ Phương trình điện áp của máy phát điện khơng đồng bộ trong hệ tọa độ d-q được biểu diễn như sau :

𝑣𝑑𝑠 = 𝑖𝑑𝑠𝑅𝑠− 𝜔𝑒𝑞𝑠 +𝑑𝑑𝑠

𝑣𝑞𝑠 = 𝑖𝑞𝑠𝑅𝑠+ 𝜔𝑒𝑑𝑠+𝑑𝑠 𝑑𝑡 (4.12) 0 = 𝑖𝑑𝑟𝑅𝑟 + (𝜔𝑒 − 𝜔𝑟)𝑞𝑟+𝑑𝑑𝑟 𝑑𝑡 (4.13) 0 = 𝑖𝑞𝑟𝑅𝑟 + (𝜔𝑒 − 𝜔𝑟)𝑑𝑟+𝑑𝑞𝑟 𝑑𝑡 (4.14) 0 = 𝑖𝑑𝑓𝑒𝑅𝑓𝑒+ 𝜔𝑒𝑞𝑠 −𝑑𝑑𝑚 𝑑𝑡 (4.15) 0 = 𝑖𝑞𝑓𝑒𝑅𝑓𝑒+ 𝜔𝑒𝑑𝑠 −𝑑𝑞𝑚 𝑑𝑡 (4.16) Trong đó: 𝑣𝑑𝑠 và 𝑣𝑞𝑠: là điện áp stator các trục d và q

𝑖𝑑𝑓𝑒và 𝑖𝑞𝑓𝑒: là dòng điện các trục d và q qua điện trở Rfe

𝑖𝑑𝑚và 𝑖𝑞𝑚: là dịng điện từ hóa các trục d và q 𝑑𝑠 và𝑞𝑠 : là từ thông stator các trục d và q 𝑑𝑚 và 𝑞𝑚 Các thành phần dòng điện stator trục d và q: 𝑖𝑑𝑠 = 𝑖𝑑𝑚+ 𝑖𝑑𝑓𝑒 − 𝑖𝑑𝑟 (4.17) 𝑖𝑞𝑠 = 𝑖𝑞𝑚+ 𝑖𝑞𝑓𝑒− 𝑖𝑞𝑟 (4.18)

Phương trình mơment máy phát khơng đồng bộ:

𝑇𝑒 =3 2 𝑝 2(𝑞𝑠𝑖𝑑𝑠−𝑑𝑠𝑖𝑑𝑠) (4.19) Trong đó: p: là số cặp cực

𝑃𝑖𝑛 = 𝑇𝑒𝜔𝑚 = 2

𝑝𝑇𝑒𝜔𝑟 (4.20)

Bỏ qua các tổn thất cơ và các tổn thất khác, tổn thất của máy phát điện không đồng bộ bao gồm:  Tổn thất đồng stator:𝑖𝑑𝑠2 𝑅𝑠+ 𝑖𝑞𝑠2 𝑅𝑠 (4.21)  Tổn thất đồng rotor:𝑖𝑑𝑟2 𝑅𝑟 + 𝑖𝑞𝑟2 𝑅𝑟 (4.22)  Tổn thất sắt stator: 𝐾ℎ𝜔𝑒𝑟2+ 𝐾𝑒𝜔𝑒2𝑟2 (4.23)  Tổn thất sắt rotor:𝐾ℎ𝜔𝑠𝑙𝑟2+ 𝐾𝑒𝜔𝑠𝑙2𝑟2 (4.24) Trong đó: Rs: là điện trở stator Rr: là điện trở rotor Rfe: là điện trở tổn thất sắt

ids, iqs: là dòng điện stator các trục d và q e: là tần số góc stator

r: là tần số góc rotor sl: là tần số góc trượt : là từ thơng rotor

Kh và Ke: là các hệ số thất từ trễ và dịng điện xốy

Tuy nhiên, tổn thất sắt rotor thông thường được bỏ qua do tần số trượt rất nhỏ trong điều kiện làm việc bình thường.

4.4. Mơ hình tốn học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Các sơ đồ tương đương trục d và q của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với hệ tọa độ d-q được quay đồng bộ dưới tốc độ góc, . Mơ hình này bao gồm các ảnh hưởng của tổn thất đồng và tổn thất sắt .

Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong được biểu diễn như sau:

𝑣𝑑 = 𝑅𝑎𝑖𝑑+ 𝐿𝑑𝑑𝑖𝑑

𝑑𝑡 − 𝜔𝐿𝑞𝑖𝑞 (4.30)

𝑣𝑞 = 𝜔𝐿𝑑𝑖𝑑+ 𝑅𝑎𝑖𝑞 + 𝐿𝑞𝑑𝑖𝑞

𝑑𝑡 + 𝜔𝑎 (4.31)

Trong đó:

id, iq: là dòng điện phần ứng trục d và q vd, vq: là điện áp stator trục d và q : là vận tốc góc rotor

Ra: là điện trở phần ứng a: là từ thông phần ứng

𝐿𝑑, 𝐿𝑞: là từ cảm trục d và q

a) Sơ đồ tương đương trục d

c) Sơ đồ tương đương trục q

Môment của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong:

𝑇𝑔 = −𝑝[𝑎𝑖𝑜𝑞+ (𝐿𝑑− 𝐿𝑞)𝑖0𝑑𝑖0𝑞] (4.32)

Trong đó: p: là số cặp cực

Tổn thất đồng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

𝑃𝑐 = 𝑅𝑎(𝑖𝑑2+ 𝑖𝑞2) (4.33)

Tổn thất sắt của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

𝑃𝑖 =𝜔√(𝐿𝑑𝑖0𝑑+𝑎)

2

+(𝐿𝑞𝑖0𝑞)2

𝑅𝑐 (4.34)

Tổng tổn thất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

𝑃𝑙 = 𝑃𝑖+ 𝑃𝑐 (4.35)

Hiệu suất của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

 = 𝑃𝑜𝑢𝑡

CHƯƠNG 5

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT CHO PMSG

5.

5.1. Phương pháp điều khiển MPPT cho PMSG dựa trên WECS

Cơng suất được sản xuất bởi một tuabin gió được đưa ra bởi:

𝑃𝑚 = 0.5𝜋𝜌𝐶𝑝(,)𝑅2𝜗𝑤3 (5.1) Trong đó: R: bán kính tuabin 𝜗𝑤: tốc độ gió. 𝜌 :mật độ gió. 𝐶𝑝 : hệ số công suất.  :tỷ lệ tốc độ đầu vào.  : góc pictch.  = 𝜔𝑟𝑅/𝜗𝑊 (5.2) 𝜔𝑟:tốc độ góc quay tuabin

Phương trình động năng của tuabin gió được cho là

𝑑𝜔𝑟 𝑑𝑡 =1 𝐽[𝑇𝑚− 𝑇𝐿 − 𝐹𝜔𝑟] (5.3) Trong đó: J: quán tính hệ thống F:là hệ số ma sát nhớt

𝑇𝑚là mô-men xoắn được phát triển bởi các tua-bin

𝑇𝐿là mô men do tải mà trong trường hợp này là các mô-men xoắn máy phát điện. Các mục tiêu cơng suất tối ưu từ một tuabin gió có thể được viết như:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐾𝑜𝑢𝑡𝜔𝑟_𝑜𝑝𝑡3 (5.4) Trong đó: 𝐾𝑜𝑝𝑡 =0.5𝜋𝜌𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥𝑅5 𝑜𝑝𝑡3 (5.5) 𝜔𝑜𝑝𝑡 =𝑜𝑝𝑡 𝜗𝑤 𝑅

Cho thấy công suất tuabin cơ khí như là một hàm của tốc độ cánh quạt ở tốc độ gió khác nhau. Cơng suất cho một tốc độ nhất định của gió là tối đa giá trị nhất định của tốc độ cánh quạt, được gọi là tốc độ quạt tối ưu 𝜔𝑜𝑝𝑡.Đây là tốc độ tương ứng với tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu 𝑜𝑝𝑡 Để có cơng suất tối đa có thể, tuabin nên ln ln hoạt động ở 𝑜𝑝𝑡 .

Điều này có thể bằng cách kiểm sốt tốc độ quay của tuabin, do đó nó ln ln quay với tốc độ tối ưu của vịng xoay.

Hình 5.1. Cơng suất cơ học tuabin như là một hàm của tốc độ rotor cho tốc độ gió khác nhau

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được ưa thích hơn và nhiều hơn nữa trong việc phát triển mẫu thiết kế mới vì hiệu quả cao hơn, mật độ năng lượng cao, tính khả

dụng của nam châm vĩnh cửu năng lượng cao,vật liệu ở giá hợp lý và khả năng của tuabin đường kính nhỏ hơn trong các ứng dụng trực tiếp điều dẫn. Hiện nay, nhiều nghiên cứu những nỗ lực được đạo diễn hướng tới thiết kế của WECS đó là đáng tin cậy, có hao mịn thấp, nhỏ gọn, hiệu quả, có tiếng ồn thấp và chi phí bảo trì; như vậy một WECS là có thể thực hiện trong các hình thức của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió PMSG.

Các phương pháp MPPT để kiểm sốt hiện nay có 3 phương pháp được đề xuất.  Phương pháp kiểm soát tỷ lệ tốc độ (TSR):

Tính tốn Một tốc độ gió dựa trên điều khiển TSR được đề xuất trong để theo dõi các điểm cơng suất đỉnh. Tốc độ gió được ước tính sử dụng mạng nơron, và hơn nữa, bằng cách sử dụng tốc độ gió ước tính và kiến thức về tối ưu TSR, lệnh tốc độ rotor tối ưu được tính. Lệnh tốc độ tối ưu tạo ra được áp dụng cho các vòng điều khiển tốc độ của hệ thống kiểm soát WECS. Các bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ rotor thực tế với giá trị mong muốn bằng cách thay đổi tỷ lệ chuyển đổi của các biến tần PWM. Các mục tiêu kiểm soát của biến tần là sản lượng điện cung cấp cho tải. Sơ đồ khối của các mô-đun điều khiển dựa trên ANN MPPT được thể hiện trong hình 5.2. Đầu vào ANN là tốc độ roto 𝜔𝑟và công suất cơ khí 𝑃𝑚. 𝑃𝑚 thu được bằng cách sử dụng mối quan hệ:

𝑃𝑚 = 𝜔𝑟(𝐽𝑑𝜔𝑟

𝑑𝑡 ) + 𝑃𝑒 (5.6)

 Tín hiệu cơng suất hồi tiếp:

Phương trình cơng suất tuabin được sử dụng để đạt được công suất tham chiếu cho PSF dựa trên điều khiển MPPT của PMSG WECS.Hình5.3 cho thấy sơ đồ khối cho các thế hệ tín hiệu điều khiển PSF. Sử dụng phương trình (5.7) ta có:

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑜𝑝𝑡𝜔𝑟3 (5.7)

Hình 5.3. Cơng suất tham chiếu máy phát điện để điều khiển PSF

Các khối điều khiển PSF tạo ra các lệnh cơng suất tham chiếu sử dụng sau đó được áp dụng cho các hệ thống điều khiển chuyển đổi phía lưới để khai thác sức mạnh tối đa.

 Điều khiển tìm kiếm leo đồi:

Phương pháp tìm kiếm leo đồi của điều khiển MPPT cho PMSG WECS được đề xuất. Các thuật toán kiểm soát sử dụng các nguyên tắc của kỹ thuật tìm kiếm - nhớ - tái sử dụng. Phương pháp sử dụng bộ nhớ để lưu trữ các điểm công suất đỉnh, thu được trong quá trình đào tạo, được sử dụng sau này để theo dõi điểm công suất tối đa. Các nguyên tắc đằng sau thuật toán này là một quá trình tìm kiếm - nhớ - tái sử dụng. Các thuật toán sẽ bắt đầu từ một bộ nhớ thơng minh có sản phẩm nào với một hiệu suất ban đầu tương đối kém. Trong quá trình thực hiện, chế độ đào tạo sẽ sử dụng dữ liệu tìm kiếm bằng cách tìm kiếm leo đồi nâng cao, leo lên dần dần đào tạo bộ nhớ thông minh để ghi lại những kinh nghiệm đào tạo. Các thuật toán sẽ tái sử dụng các dữ liệu được ghi nhận trong ứng dụng chế độ để nhanh chóng thực hiện. Này "Tìm - nhớ - tái sử

dụng" sẽ lặp lại chính nó cho đến khi một bộ nhớ chính xác của hệ thống đặc điểm được thiết lập. Vì vậy, sau khi các thuật tốn được huấn luyện đầy đủ, hiệu quả khai thác sức mạnh của nó là tối ưu. Kể từ khi bộ nhớ thông minh là đào tạo trực tuyến trong khi hệ thống hoạt động, một quá trình cũng được gọi là quá trình đào tạo online. Cấu trúc của các thuật toán leo đồi điều khiển tìm kiếm nâng cao được thể hiện trong hình 5.4. Mỗi chu kỳ thực hiện bắt đầu với lấy mẫu của 𝑉𝑑𝑐và 𝑃0, và tính tốn khác biệt. Các quy tắc chuyển đổi chế độ chỉ đạo kiểm soát vào một trong ba phương thức thực hiện, cụ thể là chế độ ban đầu, chế độ đào tạo và ứng dụng chế độ. Nhu cầu dòng biến tần 𝐼𝑑𝑚 được tính trong chế độ đó và ni cho các biến tần để điều tiết sản lượng điện của hệ thống.

𝐼𝑑𝑚 được định nghĩa là giá trị cao nhất yêu cầu của hình sin đầu ra của biến tần. Cơ chế điều khiển lỗi công suất tối đa (MPED) cung cấp hệ thống với một điểm hoạt động tối ưu hóa sơ bộ khi bộ nhớ thông minh là sản phẩm nào. Các tín hiệu tham chiếu cho MPED là 𝑃𝑑𝑚 mà chỉ có thể đến khi gió là đủ cao. Các bộ nhớ thông minh ghi lại các điểm công suất tối đa của hệ thống và các biến điều khiển tương ứng với điều kiện vận hành khác nhau. Trực tiếp kiểm sốt nhu cầu dịng sử dụng các mối quan hệ tối ưu giữa

𝑉𝑑𝑐và 𝐼𝑑𝑚 ghi lại bởi các bộ nhớ thông minh, và tạo ra các lệnh 𝐼𝑑𝑚 dựa trên giá trị hiện tại của 𝑉𝑑𝑐.

5.2. So sánh phương pháp P&O và phương pháp leo đồi

0

Hình 5.5. Lưu đồ giải thuật P&O cho việc tìm kiếm MPPT thơng qua điện áp tham chiếu

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất , đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước. Một cách khác để giải quyết việc hao hụt cơng suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện với tốc độ gió thay đổi liên tục, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn. Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là khơng tìm được chính xác điểm làm việc có cơng suất lớn nhất khi điều kiện gió thay đổi. Đặc điểm của phương pháp này là phương

Start P&O Gỉa định giá trị Ban đầu P1=0 V1=Vref ĐO:V(K), I(K) P(K)=V(K).I(K) ΔP=P(K)-P(K-1) ΔV=V(K)-V(K-1) ΔP>0 ΔP>0 ΔV>0 ΔV≥0 Δ P > 0

Tăng Vref Giảm Vref Giảm Vref Tăng Vref

P(K-1)=P(K) V(K+1)=V(K) Yes Yes Yes No No No

pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp này khơng phù hợp với điều kiện gió thay đổi thường xuyên và đột ngột.

Cuối cùng một giải thuật leo đồi điều khiển MPPT cho WECS để quan sát và dị tìm cơng suất cực đại được trình bày trong luận này là một nghiên cứu được đề xuất trong trường hợp tốc độ gió thay đổi và dị tìm điểm cơng suất tối đa. Phương pháp này khơng đòi hỏi kiến thức về tốc độ gió, mật độ khơng khí. Giải thuật leo đồi được đề ra được thực hiện khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, tránh được rơi vào điểm cực trị địa phương bằng cách là sẽ qt hết một chu kì cơng suất ứng với một tốc độ gió nào đó và với việc tìm điểm cơng suất cực đại bằng cách đi so sánh các giá trị công suất thu được, đặt công suất cực đại là Pmax = 0, nếu P(k) > Pmax thì P(k) = Pmax, cứ như vậy ta sẽ dị tìm được điểm cơng suất cực đại một cách nhanh chóng và chính xác.

Bảng 5.1: Bảng so sánh thuật toán P&O và Leo Đồi

Thuật toán MPPT Chi phí Thơng số đo Tốc độ tính tốn Mức độ phức tạp Điểm làm việc tìm được Lưu ý P&O Trung bình VPV, IPV Chậm Thấp Dao động quanh điểm MPP Sử dụng nhiều phép lặp; điểm làm việc dao động

quanh MPP Leo Đồi Trung bình VPV, IPV Chậm Trung bình Tại điểm MPP

Cho kết quả tốt tốc độ gió thay đổi, tránh được dao

CHƯƠNG 6