Chương nảy trình bày sơ lược các phương pháp điều khiến DFIG hiện nay. Trong đó
trình bày kỹ phương pháp định hướng tu thông stator (Stattor Field Orientation Control-
SFOC).
4.1 Cac phwong phap diéu khién DFIG
4.1.1 Phương pháp định hướng vector từ thong
Phương pháp điều khiến định hướng vector từ thông trong máy điện không đồng bộ dựa trên nguyên lý của điều khiển máy điện một chiều DC kích từ độc lập như hình 4.1.
HÀ
Từ thông kích từ (Ig)
~LyMom›enf
Dòng phân
ứng (1;)
Hình 4.1. Hướng từ thông kích từ và dòng phân ứng trong máy điện DC
Phương trình moment trong máy điện DC:
Pl, > >
= XW eX la
T =~. (4.1) 2°L,
Từ (4.1) ta thay rang, khi vecto từ thong từ trường và vector dòng phan ứng vuông góc
với nhau, phương trình moment trở thành:
T, = cy i, 2)
Phương trình (4.2), cho thay từ thong từ trường trong máy điện một chiều được điều khiển độc lập với dòng phan ứng.
Tương tự cho máy điện AC, phương trình từ thông có dang [4]:
cosở, (4.3)
7, ~,xV, ~ lữ,ÌU,
Với 9, là góc hop bởi vector từ thong stator và vector từ thông rotor như hình 4.2
ự. 4
Xà Won + Ẩm
+ằ oe
-
Hình 4.2 Gian đồ quan hệ từ thong trong máy điện KDB AC.
Sử dụng mạch tương đương của máy điện không đồng bộ rút gọn như hình 4.3b, ta có
các phương trình sau:
” ị ca sa >
a | ir a
(a)
ic ly
> a >
† in
s
m
(b) Hình 4.3: Mạch tương đương của máy điện KĐB AC (a) và mạch rút gọn (b)
Phương trình công suất cơ, moment, từ thông máy điện như sau:
Puech — 3 là —)}g (44)
RY
P ' 1]— R,
Tech = = 3h, { , (4.5)
O,, s JO,
Pp
i|R
OO, OO,
Tinech — 3p Win i, (4.8)
Phuong trình (4.8), cho thay từ moment trong may điện AC được điều khién độc lập với dòng phan ứng i, nhu máy điện DC.
Dé thực hiện được phương pháp điều khiến như ở (4.8), ta cần chuyển đổi hệ qui chiếu từ hệ qui chiếu abc với các vector điện áp và dòng điện lệch nhau một góc 120° sang hé qui chiếu quay dgo quay đồng bộ với tốc độ , như nêu ở chương 3. Có nhiều lựa chọn cho hệ qui chiếu quay. Hệ qui chiếu định hướng áp dụng cho điều khiển vector thông
thường của máy điện KDB như định hướng từ thông rotor, định hướng từ thông từ hóa
hay điều khiển định hướng điện áp stator cũng được dùng phố biến trong các bộ điều
khiên vector.
4.1.2 Phương pháp điều khiến công suất trực tiếp DPC (Direct power control) [22]
Phương pháp nay dựa trên vòng lặp điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời băng cách điều chế điện áp rotor theo sai số công suất tac dụng (hay moment) và công suất phản kháng (hay từ thông). Phương pháp nay không sử dụng bộ điều khiến dòng điện rotor và bộ điều chế độ rông xung như phương pháp định hướng từ thông. Trạng thái đóng ngắt của converters được xác định bằng bảng trạng thái đóng ngắt dựa trên sai số tức thời của công suất lệnh và công suất thực.
Từ mô hình tương đương của máy điện không đồng bộ với các điều kiện lý tưởng như bỏ qua tôn hao, điện trở stator ta có được phương trình công suất tác dụng và công suất phản
kháng như sau:
3 L . r rm
P= @„(JW/,W„)
°— 201L
s 2 GLL IV, ly; |.sin @ (4.9)
Q, 5 ys fs yr cost (4.10)
8
Hình 4.4 Mối quan hệ vector từ thông stator va rotor trong hệ quy chiếu rotor.
Lấy vi phân hai phương trình (4.9), (4.10) ta được hai phương trình sau:
dP. _ 3 Là lw’ aly: sind] (4.11)
dt 2oL.L, “` ` dt
d\y"|.cos@
dQ, 3 Fn oy hy! 2 | (4.12)
dt 2 oL dt
Từ phương trình (4.11) va (4.12), công suất thực và công suất phản kháng có thé thay đồi bang cỏch thay đụi giỏ tri |ự7|.sin ỉ và |y’|.cosd.Ự, Ự,
Từ hỡnh 4.4, .sinỉ và vàỰ, Ự,.cos@ là hai thành phan vuụng gúc của từ thụng rotor lv được dùng dé điều khiển các thứ tự thành phan từ thông của stator. Nếu thay đổi thành phan ly |.cosỉ thỡ cụng suất phan khỏng sẽ thay đổi; nếu thay đối thành phan từ thụng
ban đâu và độ lớn của từ thông rotor không ảnh hưởng đến sự thay đổi của công suất thực và công suất phản kháng.
4.2 Điều khiến DFIG bang phương pháp định hướng từ thông stator Từ thông rò sfator trong hệ qui chiếu tĩnh được đưa ra bởi phương trình:
Đề định hướng từ thông stator, chọn hệ trục qui chiếu dgo quay đồng bộ với từ thông rò stator, góc hợp bởi trục d của hệ qui chiều đạo và trục a của hệ qui chiếu tĩnh là 6,.
3 >
ii =i @ 72 đa
s
Với 0, là góc từ thông stator được tính như (4.15):
Vea = |Ú„—Rj„ÌM
Ysa = [op — 1g lat
0, = tan” 4.15 I2Vv (4.15)
Hình 4.5 thé hiện quan hệ giữa hệ qui chiếu tinh và hệ qui chiếu quay trong định hướng
từ thông stator.
NI e
e
Hình 4.5: Quan hệ giữa hệ qui chiếu tĩnh và hệ chiếu quay đạo
Dòng điện từ hóa được tính như sau:
>| y1 (4.16)
Từ hình 4.5, cho thay dòng tao ra moment iy, trực giao với dong điện từ hóa ings , vì thé
phương trình moment điện từ nhận được:
3 “ar (4.17) T= 5 Pen gins das
4.2.1 Điều khiến Rotor Side Converter (RSC)
Rotor Sside converter cung cấp nguồn áp cho dây quấn rotor của DFIG. Chức năng của RSC là điều khiển dòng điện rotor dé từ thong rotor định hướng tối ưu với từ thông stator để sinh ra moment tối ưu đưa vào trục máy phát. RSC sử dụng bộ điều khiến từ thông để điều chỉnh công suất ra của turbine gió và điều khiến điện áp (hay công suất phản kháng) ở đầu cực stator. Công suất được điều chỉnh theo đặc tính công suất-tốc độ cho trước của turbine (từ nhà sản suất). Công suất ra ở đầu cực máy phát cộng với tổn hao công suất (cơ + điện) được so sánh với công suất đặt từ đặc tính của turbine. Thông thường dùng bộ điều khiến PI ở vòng lặp bên ngoài để đưa sai số công suất về 0. Ngõ ra của bộ PI này là dòng điện lục mà phải được bơm vào dây quấn rotor thông qua RSC. Thành phần dòng điện rotor trục đ, igr điều khiển moment điện từ Te. Thành phân dòng điện i,, thực được so sánh với dòng đặt irq và sai số được điều chỉnh bang một bộ PI khác ở vòng lặp
bên trong. Ngõ ra của bộ PI này là điện áp V,, do RSC tạo ra. Lập luận tương tự với
thành phan trục d, ta có được dòng 1;¿ va điện áp v,g từ RSC để cung cấp cho dây quân rotor. Sơ đỗ điều khiển RSC minh họa như hình 4.6
RSC cung cấp kích từ cho rotor máy điện KDB. Bộ converter điều chế độ rộng xung điều khiển moment hay tốc độ của DFIG và cũng điều khiến hệ số công suất ở đầu cực máy phát. RSC cung cấp tần số kích thích thay đối phụ thuộc vào điều kiện tốc độ gió. Máy điện KDB được điều khiến trong hệ qui chiếu quay đồng bộ dgo với trục đ định hướng theo vị trí vector từ thông stator. Vì vậy, phương pháp nay được gọi là điều khiển vector
định hướng từ thông stator (SFOC). Theo cách này ta điều khiến độc lập giữa moment và dòng điện kích từ rotor. Kết quả là công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều khiến độc lập với nhau.
Đề mô tả sơ đồ điều khiến, sử dụng mô hình Park của máy điện KDB. Áp dụng các qui ước thông thường của motor trong hệ qui chiếu định hướng từ thông stator tĩnh, bỏ qua
bão hòa từ, phương trình vector điện áp như (3-19), và (3-20):
ve = Rit os (4.18)
dt
vr=ẹ Ă„+ —— 1@ 4.19r Ai JOY, (4.19)
Trong đó, vector v, là điện ap stator, cũng là điện áp lưới. Vector v, là điện ap rotor được
điều khiến bởi RSC và được dùng dé điều khiến máy phat.
Các phương trình vector từ thông:
> > >
Y , = L, Ly Là tr (4.20)
> > >
wv =L,i,+L, is (4.21)
Trong đú L=Lyằt+Lh),, L,=Lin+L;, là cỏc điện cảm cua stator va rotor:
Phương trình từ thong stator theo định hướng từ thông stator có dạng:
Wa — Tu + AT — Y, — hy
(4.22)
„=0
Suy ra, dòng điện stator trên hệ trục dgo:
rs _ Ly, J. .L
las = L (li,,s 7 Lạy )
4 s (4.23)
— _ __m
qs — L qr
Phuong trình điện áp và từ thong rotor trong hệ qui chiếu dgo định hướng SFOC :
2 2di L
(Va, = Rdg, +} L = _ li tar L —=— — li
di
Oslin + r qr
L, (4.24)
i L L„ ).
' dt =+ Dgiin Fea G hs,
‘ (4.25)
Thé cdc phuong trinh (4.25) vao phuong trinh (3.37), ta duoc phương trình điện ap rotor:
Là
r Oslin + L, a Lor — Vor — Dyin L, Ol,
s (4.26)
Là Là L,
` Vor — Vor + Dsiip ‘ T- ling + C 7 ta, — Vor 7 Osi [i lim ro" |
Ed
6 Var = Var —-
L7 ) di di vi =Ri L.- —“=Ri,+Lo—“*
(— "dr r “dr { L | dt r “dr r dt
(4.27)
` “\ di đi* L l l
v =Ri +|Ù-- |“=Ri +L o—\
“gr r “qr | r L, dt r “qr r dt
Sơ đồ điều khiến RSC được xây dựng theo cách chung gồm hai bộ PI mắc nối tiếp như hình 4.6. Dòng điện rotor trục g có được từ vòng lặp điều khiến tốc độ bên ngoài hay từ moment đặt vào máy điện. Hai cách này được gọi là chế độ điều khiến tốc độ hay ché độ điều khiến moment máy phát thay vì điều khiến trực tiếp công suất tác dụng. Đối với chế độ điều khiến tốc độ, bộ PI bên ngoài điều khiến tín hiệu sai số tốc độ dưới dạng truy tìm công suất cực đại. Hơn nữa, một bộ PI khác được thêm vào để tạo ra tín hiệu đặt cho
sử tất cả công suất phản kháng tới máy điện được cung cấp bởi stator, thì giá trị lạ có thể đặt bằng 0. Khi đó không cần quan tâm đến việc đóng ngắt các IGBT của RSC và giả sử là converter rotor có thé đáp ứng giá trị lệnh bất kỳ lúc nao.
Hệ thống điều khiển cần đo dòng điện stator, dòng điện rotor, điện áp stator và vi tri rotor. Do stator nối lưới nên ảnh hưởng của điện trở stator là không đáng kể nên có thé xem dong từ hoa stator 1m; là không đôi.
Điều khiển dòng điện kích từ rotor được thực hiện bang điện ap diéu ché rotor. Tin hiéu
Sai SỐ 1ra và irq được các bộ PI điêu chỉnh dé lân lượt cho ra điện áp Vyq và Vig.
Ostinp OL, Tự
mf . : l Ostip 1# ns | OL, ig | DC-link
$
U wef
di 3 Pl e)(Os-81) > —*> ơ —*>
= À = 2 > 5 —}> Pu M _—+
qr-ref | = PI 4 —> —>
5 Á U wer
L
——~ e j9) <— < )
pp a >< |<
Qs
Vi tri từ ee thong
Hình 4.6: So đồ điều khiển khối RSC
À
Lưới 3 pha
Nếu thực hiện trực tiếp dòng i,, thì điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng được điều khiến bởi thành phan dòng i,,.
Phương trình công suất stator trong định hướng từ thông stator, được viết như sau:
. . 3 . 3 L 428
P= (Masa TY v4.) = 5 Masa = ale a I, (4.28)
3 3 . 3L, „| MỊ . (4.29)
Q. = 5 Mas tas — Vay Las) = 5 Masta =21V, . L [r “iy
Phương trình moment điện từ:
3 3 3 VIL.
T, => PW Veda d= 5 PV icky = PT Tạ (4.30)
Từ (4.28) va (4.29), ta thay rang có thé sử dụng thành phan i,, va ig, để điều khiển độc lập công suất tác dụng va công suất phản kháng.
4.2.2 Điều khiến Grid Side Converter (GSC).
GSC điều chỉnh điện áp DC bus. Nó còn cho phép phát hay tiêu thụ công suất phản kháng dé cân bang điện áp DC. Chức năng này được nhận dạng băng hai vòng lặp. Vòng lặp ngoài gồm một bộ điều chỉnh điện áp DC. Ngõ ra bộ bộ điều chỉnh nảy là thành phần dòng điện i„¿'”. Vòng lặp điều chỉnh bên trong điều khiến biên độ và pha của điện áp do converter tạo ra từ ig’ và icq’
GSC điều khiến công suất tác dụng và công suất phan kháng chảy vào lưới thông qua điện cảm nối lưới L¿. Chức năng của GSC là giữ cho điện áp DC trên tụ không đổi cho dù biên độ và hướng công suất rotor thay đôi. Sử dụng phương pháp điều khiến vector với hệ qui chiếu định hướng theo vị trí vector điện áp stator cho phép điều khiến độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy giữa lưới và converter. Các converter PWM là các bộ điều chỉnh dòng với thành phần dòng trục đ điều khiển điện áp DC va thành phan dũng trục ứ điều khiến cụng suất phản khỏng. Hỡnh 4.7 là sơ đồ cấu trỳc điều khiến GSC.
DC-link †ơlt—
Ve Ca V cac “HE
ie 2/3 >| PWM ——> Ow
Ge | Voltage angle calculation | ae
\ Vea
~ 2/3 ke Vea.
ied +
He la B :
beg e ° = 2/3 ~——cb Ủca,b.c
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển khối GSC Phân tích tương tự như điều khiển RSC, phương trình điện áp GSC trong hệ qui chiếu dg quay đồng bộ như sau:
di,
Vig = Relig + L, —£— OL pig +V cay
dt (4.31)
Vig = Nhu +L, —— di,m —@® L plea T Vegi
Vi trí góc điện áp lưới được tinh:
a} Ve 4.32
0, = Jo,dt =tan = 82)
Vea
Với Vea và Veg là thành phân điện áp lưới trong hệ qui chiếu tĩnh stator.
Trục đ của hệ qui chiều trựng với vi trớ gúc của điện ỏp lưới ỉ,. Do biờn độ cua điện ỏp lưới là không đối nên Veạ=Ô Và Vea = const. Công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt tỷ lệ với ica và icg-
Gia sử biến thế nối lưới được dau start, Công suất tac dung và công suất phản kháng là:
3d, (4.33)
PB =3(0v4.„ +. l.,) = =
Q, =3 (Vad cq + Voge lg) = 3 Vad cq (4.34)
Như phương trình 34, công suất tác dụng và công suất phản kháng từ GSC được điều
khiên bang igg và icg. DE điêu khiên độc lap, phân bù được thêm vào:
Vca=T—V¿„+ (O,L ple, +v,) 435)
Dung chuyén đôi Park ngược để chuyển điện áp đặt v.„# và Vcq* cho bộ phát tín hiệu để điều khiển đóng ngắt các IGBT .
Converter có thê tạo ra công suât kháng phụ thuộc vào chê độ vận hành của tải.
Mw
po LS oO
Va ==C bP vYVY^ a? A)
| ` /YYY^ | — le ^
Ven Vion Van Vaen gbn“gan
= II ln Ƒ Ƒ n
Hình 4.8: Mô hình Converter cầu 3 pha day đủ phía lưới Xét hệ thống hình 4.8, điện áp cân băng qua cuộn lọc Rf, Lf
(AVG = Van Vane = Rp hy + Ly - at. di
ƒ
| di, 4 AV, = Vin Ving = Rp dy + Lp (4.36)
dt
Ô— AV. = Va Vong = Ry A, + Ly; di
dt Hệ thống phía DC có mô hình:
Coc ' được — Lite 7 Lyotor (4.37)
dt Khi chuyển sang hệ qui chiếu dq chúng ta nhận được:
| di, |
Av ; = R, Ly +L, Ty eet dụ
(4.38)
| di, | Av, =k, 4, Tự TT sự dụ
Nếu bỏ qua hài đóng cắt và điện áp lưới, bỏ qua tốn thất Converter và điện trở máy phát, chúng ta có công suất AC và công suất DC là như nhau:
Đặc = Pic (4.39)
Trong đó:
2 Tăng
P= Re " (4.40)
P bc=D pcdpc (4.41)
O đó dấu * thé hiện liên hop phức.
Công suất AC trong hệ qui chiếu quay đồng bộ dq định hướng theo điện áp lưới, uạ= 0.
Chúng ta có:
2 . 4.42
P yc= Ug hy 442)
Từ (4.39), (4.40) và (4.41), suy ra:
l.=———ùDC 2 U ne d (4.43)2 U
Phuong trình điện ap DC:
—FC — i,
dt 3 Cyc Une
Kết luận:
e Theo (4.44) điện áp Ude được giữ có định nhờ điều khiến thành phan dòng
ig phía converter lưới.
e Điều khiển Converter phía lưới định hướng theo điện áp lưới u, = 0, do đó
2, củ 2.
Q, =2 dd, — Hạ da) = a4, (4.45)
Vì vậy, điều khiến công suất phản kháng phía lưới, hay hệ số công suất chính là điều khiển thành phan dòng iy. Dé cho hệ số công suất đạt bằng 1, thì dòng i," luôn đặt bằng
0.
4.3 Bộ biến doi công suất Converter back to back AC-DC-AC hai bậc
Bộ biến đổi công suất được thêm vào mach rotor cho phép điều khiển nhanh và linh hoạt máy phát điện bằng cách điều chỉnh điện áp AC cực rotor của máy phát.
Hiện tại phân lớn các bộ điện tử công suât déu sử dụng bộ inverter hai bậc, sử dụng các
Insulated-Gated Bipolar Transistors (IGBTs). Nó xuất ra điện áp 0(V) và Vde (V). Bộ converter hai bậc này có thé tong hợp điện áp ba pha có biên độ, tần số và góc pha bất kỳ và có thé thay đối điện áp ngõ ra tức thời bằng bộ điều chế độ rộng xung (PWM). Các
công tac của converter đóng ngất với tân sô cô định nhưng có độ rộng xung thay đôi dé điêu khiên điện áp ra.
The voltage source inverter
Vde , — D1 Ì D3 me D5
_- T1 + |_.. T3 a La, Tổ +
„ > T_— =..
ad /Ị` ÁN 1
Vie 1 D4 D6
ta TỆ rs = T4 JAY iz T6 *
—— — F—| Vao Vbo
(a)
|__J D1
de 71 =e / j \ = a
— =
i eh Á
“ té /|` Vout Vdc — D2
T2
Hình 4.9: Nguyên lý bộ inverter hai bậc (a) và mạch một nhánh (b)
(b)
Vco
Hình 4.9a trình bày nguyên lý bộ inveter hai bậc, gồm ba nhánh cầu mắc song song.
Hình 4.9b trình bày một nhánh. Khi T; ON, Vou = Vac, khi T› ON, Vou =0V. Lưu ý là cả
hai công tac T1 và T2 không được đóng đồng thời. Nếu ngõ ra được đóng ngắt chu kỳ giữa hai trạng thái thì điện áp ra được lấy trung bình trên mỗi chu kỳ có thể được điều khiển giữa 0 và Vdc. Hình 4.11 là ví dụ về tín hiệu PWM và chỉ ra cách thay đối độ rộng xung bằng cách so sánh giữa sóng điều chế và sóng mang.
Điện áp trung bình ngõ ra được tính:
với Tey là chu kỳ đóng ngất, tiạ là thời gian đóng của switch 1.
Ty số điều chế (duty cycle):
Don
T° 0<m<]
SW
m =
Vi vay, Vow — mV 4.
Trong bộ converter ba pha như ở hình 4.9a, có ba nhánh ứng với ba ty số điều chế m,, mụ
và m,. Điện áp ở diém giữa mỗi pha va điêm 0 của điện áp dc link là:
Và — MV ac TH...
Vio — MV ac
Nếu các chỉ số điều chế có dang sin như sau:
m, =—+msin(at)1 .
2
1 : ( 27r ) m, => tmsin\or — 7%
1 h ( 27r ) mr — BF sinor + Z4
Cc
Điện áp day ngõ ra co dạng:
V„ =V,„„T—V,„ =V3mV,, sin(ứr — z/6) V,. =V,, —-V.. = J3mV,, sin(ứ — 57/6) V_=V _ —V = J3mV,, sin(ot + 2/2)
Đây là điện áp ba pha cân bằng có biên độ được điều khiến băng chi số m và tần số va pha có thé được điều chỉnh bởi tần số va pha của dạng sóng điều chế. Dạng sóng điều chế được điều chỉnh băng kỹ thuật số với các vi xử ly hay vi điều khiến tốc độ cao.
Do các bộ Voltage Source Inverter (VSI) có thé tạo ra điện áp có tần số va pha bất ky (trong giới hạn điện áp dc va tần số đóng ngắt) nên chúng có thé duoc xem va mô hình hóa như những nguôn áp điều khiến lý tưởng mà bang thông của chúng cao hơn tan số kích từ cần cho hệ thống|4]. Trong trường hợp nay, converter được mô hình hóa như nguồn áp lý tưởng tạo ra điện áp ba pha cân băng có biên độ và pha tương ứng với điện áp lưới. Điều này cung cấp kha năng diéu khiến dòng chảy công suất tac dụng va công suất phản kháng cho lưới.
U
jỊ
4 2i ô<— +>)
Hình 4.10: Bộ nghịch lưu áp 3 pha [20]
Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:
Uj, +U,, +U,, =0