Ta thấy, sự định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu như trên hồn tồn độc lập với các thơng số của DFIG. Theo sự định hướng này, điện áp rotor phải được qui đổi về cùng chung một hệ trục. Quá trình điều khiển được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp rotor thơng qua bộ converter phía máy phát. Vì stator được nối trực tiếp với lưới điện, nên điện áp stator là điện áp lưới và được xem như tác động nhiễu. Trong điều
39
kiện lưới ổn định, điện áp lưới được xem như không đổi, với hệ trục tham chiếu đã chọn tác động nhiễu có giá trị bằng khơng theo trục q và là đại lượng dc theo trục d. Do
0
e qs
v nên công suất tác dụng và cơng suất phản kháng có thể được viết lại một cách đơn giản như sau:
3 3 2 2 e e e e s ds ds s ds P v i u i 3 3 2 2 e e e e s ds qs s qs Q v i u i (3.48)
Từ (3.48), ta thấy công suất tác dụng Ps và công suất phản kháng Qs đầu cực stator DFIG có thể được điều khiển độc lập thông qua e
ds
i va e qs i
Nếu điện áp lưới được xem như không đổi, từ (3.46) ta thấy rằng mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng hoàn toàn tương đương với mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần (dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng) của véctơ dòng điện stator.
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (thường có giá trị bé với các máy phát cơng suất lớn). Khi ở trạng thái xác lập, thành phần đạo hàm trong biểu thức (3.36) triệt tiêu, dẫn đến: e e e e s e s s s s s s s d v R i j j dt (3.49)
Nghĩa là véc tơ điện áp và véc tơ từ thơng stator vng góc với nhau. Ta có giản đồ véc tơ khơng gian như hình 3.7.
40
Hình 3. 8 Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện trở stator Ta có: dse 0,qse se (3.50) Từ biểu thức (3.43) và (3.50): 0 e e e ds s ds m dr e e e e qs s qs m qr s L i L i L i L i Rút ra: 1 ( ) e m e ds dr s e e e qs qs m qr s L i i L i L i L (3.51)
Khi đó cơng suất tác dụng, công suất phản kháng và mô men điện từ được viết lại:
3 3 2 2 e e m e s s ds s dr s L P u i u i L (3.52a) 3 2 e qs m e s s qr s s L Q u i L L (3.52b)
41 3 2 e e m e qs dr s L T p i L (3.52c)
Các quan hệ dịng, áp và từ thơng trong (3.47), (3.49) và (3.51) được minh họa bằng giản đồ véc tơ như hình 3.8.
Hình 3. 9 Giản đồ véctơ dịng, áp và từ thơng của DFIG Từ đây, ta rút ra các nhận xét:
− Véc tơ từ thơng stator se ln đứng vng góc với véc tơ điện áp lưới us
nếu điều kiện (3.49) thỏa và có biên độ cũng do us quyết định (do lưới điện quyết định). − e e qs s có module là hằng số vì e / s us s ( us và s lần lượt là điện áp và tần số lưới điện được xem như không đổi). Theo (3.52a) và (3.52c), công suất tác dụng và mơ men chỉ phụ thuộc thành phần dịng điện
e dr
i , nên idre chính là đại lượng điều khiển công suất tác dụng đầu cực stator hoặc điều khiển mô men.
− Công suất phản kháng chỉ phụ thuộc thành phần dòng điện e qr
i . Vì vậy, có thể sử dụng e
qr
i làm đại lượng điều khiển công suất kháng đầu cực stator (hoặc hệ số công suất).
42 phần e
ds
i và e qs
i làm biến điều khiển trạng thái của hệ thống DFIG. Q trình điều khiển cơng suất tác dụng và công suất phản kháng được thực hiện bằng cách tác động lên điện áp rotor (do thiết bị điều khiển - bộ biến đổi cơng suất nằm bên phía rotor) thơng qua hiệu chỉnh hai thành phần dòng điện stator.
Giá trị tham chiếu điều khiển ref ds
i cho thành phần tác dụng của véc tơ dịng điện stator có thể được tính tốn trực tiếp từ giá trị đặt của công suất tác dụng trong sơ đồ điều khiển cơng suất bằng cách dựa vào đặc tính P -ω của tu bin gió được cho bởi nhà chế tạo (thường ở dạng bảng).
Giá trị tham chiếu điều khiển ref qs
i cho thành phần phản kháng của véc tơ dịng stator được tính tốn từ giá trị đặt của công suất phản kháng. Mặt khác, do cơng suất phản kháng có liên hệ mật thiết với điều chỉnh điện áp phía stator, nên giá trị điều khiển
ref qs
i cũng có thể được cung cấp từ bộ điều chỉnh điện áp. Nếu cho ref
s
P và Qsreflà giá trị đặt của công suất tác dụng và cơng suất phản kháng phía stator máy phát, thì giá trị điều khiển cho các thành phần dịng điện stator được tính theo: ef ef ef 2 ef 2 , 3 3 r r r s r s ds qs s s P Q i i u u (3.53)
43
Hình 3. 10 Giá trị tham chiếu điều khiển dịng điện stator được tính từ cơng suất đặt Trong trường hợp giá trị đặt là mơmen điện từ thay vì cơng suất tác dụng phía đầu cực stator, thì giá trị điều khiển ref
ds
i cho thành phần dòng idse được suy gián tiếp từ:
ef ef (2 / 3 ) er ds qse e r ds e qs p T i i (3.54)
Tuy nhiên, theo (3.54) thì sự biến đổi của thành phần e qs
i (tương ứng với công suất phản kháng) sẽ ảnh hưởng đến giá trị điều khiển e
ds
i .
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator như (3.49), dse 0,qse us /s , biểu thức (3.54) được viết lại như sau:
ef ef 2 3 r r e s ds s T i p u (3.55)
44
Máy điện DFIG được xây dựng sẵn và tích hợp dưới dạng các toolbox của mô phỏng Simulink của Matlab. Trong luận văn sử dụng lại mơ hình này để mang tính khác quan trong điều khiển. Luận văn tập trung xây dựng các bộ điều khiển phía rotor và phía lưới, đây là các thành phần quang trọng nhất để giúp máy phát đưa công suất lên hệ thống điện.
Hình 4. 1 Mơ hình khối máy phát gió DFIG
4.1.1 Hệ thống điều khiển phía rotor.
Bộ chuyển đổi phía rotor được dùng để điều khiển cơng suất ngõ ra tu bin gió. Cơng suất được điều khiển để bám theo đường đặc tính cơng suất-vận tốc đã cho được gọi là đặc tính bám. đường đặc tính này được biểu diễn qua đường gấp khúc ABCD như mơ tả trong hình 4.2 thể hiện đặc tính cơ của tu bin tại các vận tốc gió khác nhau. Vận tốc thực tế của tu bin đo được và đáp ứng cơng suất cơ của đường đặc tính bám được dùng như là cơng suất tham chiếu cho vịng điều khiển cơng suất. Đường đặc tuyến công suất được thể hiện qua bốn điểm A, B, C và D. Từ điểm có vận tốc gió bằng khơng đến điểm A thì cơng suất ngõ ra bằng 0, hay nói cách khác là máy phát sẽ khơng khởi
45
động được khi vận tốc gió dưới giá trị tại điểm A. Từ điểm A đến điểm B, cơng suất tham chiếu của máy phát gió là một đường thẳng. Từ điểm B đến điểm C, công suất tham chiếu là quỹ tích của các điểm cơng suất cực đại của tu bin gió. Cơng suất này là cơng suất cực đại có thể thu được từ tu bin ứng với từng vận tốc gió khác nhau. Từ điểm C đến điểm D cơng suất tham chiếu có quỹ đạo là một đường thẳng. Tại điểm D là cơng suất cực đại 1 pu. Nếu vận tốc gió vượt hơn điểm D, lúc này máy phát sẽ lấy công suất tham chiếu cố định là 1 pu.
Hình 4. 2 Đường đặc tính tu bin gió và đặc tính bám theo cơng suất của DFIG Vịng điều khiển cơng suất được mơ tả như trong hình 4.3. Với bộ điều khiển phía rotor, trục d của hệ trục tọa độ quay thu được sau biến đổi Park được xếp trùng với trục khe hở từ thông. Công suất điện ngõ ra thực tế đo được tại điểm nối lưới được cộng với tổng công suất tổn thất máy phát (bao gồm tổn thất phần điện và phần cơ) rồi so sánh với công suất tham chiếu thu được từ đường đặc tuyến vận tốc-công suất đã xét ở phần trên. Một bộ điều chỉnh PI được dùng để giảm sai số công suất này về không. Ngõ ra của bộ điều chỉnh là giá trị dòng điện tham chiếu trục q (Iqr _ref), đây là giá trị dòng điện trên trục q cần bơm vào rotor bởi bộ chuyển đổi phía rotor. Dịng điện này có nhiệm vụ tạo ra mô men điện từ Tem. Thành phần dòng điện trục q rotor thực tế Iqrđược so sánh
46
nó và điện cảm dịng rị. Phần dư ra so với nhu cầu sử dụng được trả về lưới hoặc bộ chuyển đổi phía rotor. Q trình điều khiển tổng qt của bộ điều khiển phía rotor được miêu tả cụ thể trong hình 4.3 như bên dưới.
Hình 4. 3 Bộ điều khiển phía rotor
Với mơ hình ngun lý điều khiển phía rotor được đưa ra trong hình trên kết hợp với các phương trình tốn mơ tả các thơng số động cơ trong chương 3, một mơ hình mơ phỏng cho bộ điều khiển phía rotor được đưa ra như trong hình 4.4 bên dưới.
47
Hình 4. 4 Mơ hình bộ điều khiển phía rotor
4.1.2 Hệ thống điều khiển phía lưới điện.
Bộ chuyển đổi phía lưới có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp trên tụ DC. Trong bộ điều khiển này, trục d của hệ trục tọa độ dq thu được sau biến đổi Park được đặt trùng với thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới điện. Bộ điều khiển bao gồm:
Hệ thống đo lường dòng diện AC được tạo ra và điện áp một chiều VDC trên hai đầu tụ DC.
Một vòng điều chỉnh điện áp VDC bằng bộ điều chỉnh điện áp PI. Ngõ ra của vịng điều chỉnh chính là giá trị dịng điện tham chiếu trên trục d (Idgc_ref ) mà bộ điều khiển phía lưới phải bơm ra (hay rút vào) lưới nhằm ổn định điện áp trên tụ DC.
Hai bộ điều chỉnh điện áp PI nhằm điều chỉnh dòng điện trên trục d và q bơm vào lưới điện. Bộ điều chỉnh dòng điện điều chỉnh điện áp và pha của điện áp được tạo ra bởi bộ chuyển đổi phía lưới từ giá trị Idgc_ref được tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp DC và giá trị dòng điện tham chiếu trên cực q đã được chỉ định trước (thường là bằng 0).
Kết quả của bộ điều chỉnh dịng điện chính là giá trị của điện áp dự đốn phải bơm vào lưới điện để đạt được yêu cầu ổn định điện áp trên lưới AC. Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển phía lưới được tình bày chi tiết trong hình 4.5.
48
Hình 4. 5 Bộ điều khiển phía lưới
Với mơ hình ngun lý điều khiển phía lưới được đưa ra trong hình trên kết hợp với các phương trình tốn mơ tả các thơng số động cơ trong chương 3, một mơ hình mơ phỏng cho bộ điều khiển phía rotor được đưa ra như trong hình 4.6 bên dưới.
Hình 4. 6 Mơ hình bộ điều khiển phía lưới
4.1.3 Hệ thống điều khiển góc cánh quạt tu bin gió.
Khi vận tốc gió dưới giá trị vận tốc gió định mức, góc cánh quạt của tu bin gió (góc beta) được giữ bằng 0 để thu được cơng suất gió lớn nhất. khi vận tốc gió lớn hơn vận tốc gió định mức, nếu khơng thay đổi góc beta, lúc này cơng suất cơ mà tu bin gió thu được sẽ lớn hơn cơng suất định mức của máy phát. Lúc này, để giữ ổn định công suất cơ thu được tại công suất định mức thì phải thay đổi giá trị góc beta để giảm hệ số công suất Cp, tức là giảm công suất cơ của tu bin gió.
49
Việc thay đổi góc beta được thực hiện thơng qua bộ điều chỉnh góc beta. Quy trình thay đổi góc beta được thực hiện trong các trường hợp sau:
− Khi công suất điện thu được lớn hơn cơng suất định mức, giá trị góc beta sẽ tăng lên. Việc tăng giá trị góc beta sẽ được dừng lại khi khi cơng suất thu được bằng công suất định mức máy phát.
− Khi công suất điện thu được nhỏ hơn công suất định mức, lúc này qua bộ so sánh sẽ hiệu chỉnh giảm góc beta để tăng giá trị hệ số công suất chuyển đổi của tu bin.
Nguyên tắc hoạt động được thể hiện cụ thể trong hình 4.7 như bên dưới. Qua sự hiệu chỉnh của bộ điều chỉnh góc beta, tu bin gió sẽ được phân vùng thành hai vùng rõ rệt. Vùng công suất cực đại là vùng có vận tốc gió dưới tốc độ gió định mức. Lúc này, tu bin gió sẽ cố gắng thu được cơng suất cơ càng nhiều càng tốt, góc beta được hiệu chỉnh về 0 để hệ số cơng suất tu bin gió đạt được giá trị cực đại. Vùng công suất định mức khơng đổi, khi vận tốc gió lớn hơn vận tốc gió định mức, góc kích beta sẽ tăng lên để giảm khả năng thu công suất của tu bin và giữ cho công suất này tại công suất định mức của máy phát.
Hình 4. 7 Bộ hiệu chỉnh cơng suất máy phát và góc beta
Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển góc beta và mơ men tham chiếu trong hình 4.7 được chuyển thành mơ hình hóa mơ phỏng trên Simulink như thể hiện trong hình 4.8.
50
Sau q trình mơ hình hóa mơ phỏng các bộ điều khiển, kết quả mơ hình hóa mơ phỏng của một máy phát điện gió được đưa ra như trong hình 4.9. Qua mơ hình nhận thấy rằng hệ thống điều khiển một hệ thống điện gió là rất phức tạp và có rất nhiều thơng số được sử dụng trong tính tốn.
Hình 4. 9 Mơ hình bên trong một máy phát DFIG
Một máy phát DFIG muốn hoạt động được thì yêu cầu phải kết nối với lưới điện. Sơ đồ kết nối lưới điện cơ bản được đưa ra như trong hình 4.10 như bên dưới. Các máy phát điện DFIG thường có điện áp đầu stator khá thấp nên chúng phải kết nối lưới điện thông qua một máy biến áp nâng áp. Khi vận tốc gió thay đổi được cung cấp từ khối giá trị vận tốc gió, máy phát sẽ điều chỉnh cơng suất tác dụng đưa lên lưới điện tương ứng.
51
Hình 4. 10 Mơ hình hệ thống điện gió trang bị DFIG nối lưới
Các thông số trong bộ điều khiển DFIG được thiết lập với các thông số như trong bảng sau:
Bảng 4. 1 Thông số các bộ điều khiển
4.2 Mô phỏng.
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển DFIG được đề xuất, mơ hình được xây dựng như trên được mô phỏng trong các vùng điều kiện hoạt động khác nhau. Các kết quả thu được qua q trình mơ hình hóa mơ phỏng được đưa ra như trong các phần sau.
4.2.1 Khi vận tốc gió khơng đổi.
Mục đích mơ phỏng trong trường hợp vận tốc gió khơng đổi là để đánh giá độ ổn định của hệ thống năng lượng gió trong thời gian đủ dài. Nếu trạng thái máy phát gió không bị thay đổi chứng tỏ giải thuật điều khiển có độ ổn định cao và đáng tin cậy. Trong phần mơ phỏng này, các vận tốc gió 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 m/s dùng để đánh giá hệ thống khi hoạt động tại vùng gió dưới định mức, các vận tốc gió 12, 13, 14 và 15 m/s dùng để đánh giá hệ thống khi hoạt động tại vùng gió trên định mức. Kết quả mơ phỏng được trình bày như bên dưới.
52
53
Hình 4. 12 Kết quả vận tốc rotor tại 5 m/s
Mối quan hệ giữa vận tốc gió và vận tốc rotor khi vận tốc gió đạt 5 m/s được thể hiện qua hình 4.12. Nhận thấy rằng với trường hợp gió 5 m/s, sau q trình quá độ khi khởi động, vận tốc rotor được đưa về đến giá trị 0.7 p.u. và giữ ổn định trong suất khoảng thời gian mơ phỏng cịn lại.