Ước lượng từ thông stator

4.4. Điều khiển trực tiếp công suất thực và công suất phản kháng

4.4.2. Ước lượng từ thông stator

Để tính toán vector từ thông móc vòng stator trong hệ quy chiếu rotor, ta phải ước lượng được giá trị đó trong hệ quy chiếu tĩnh. Sau đó, nó được chuyển đổi sang hệ quy chiếu rr bằng cách dùng thông tin vị trí của rotor.

Trong hệ quy chiếu tĩnh, từ thông móc vòng stator được ước tính bằng công thức sau:

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

Vss Rsissdt

s  

 (4.21)

Với điện áp stator không thay đổi nhiều và tần số ổn định, phương trình (4.21) có thể cung cấp một ước lượng chính xác từ thông stator.

4.4.3. Điều khiển trực tiếp công suất thực và công suất phản kháng.

Để điều khiển công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) đạt hiệu quả cao, các trạng thái của P và Q và vị trí của từ thông stator được sử dụng để xác định vector điện áp. Hai bộ so sánh trễ ba cấp được sử dụng để tạo ra các trạng thái công suất thực và công suất phản kháng tương ứng Sp và Sq như hình 4.5.

P error 1

-1 0 P

P Q error

Q Sq 1

-1 0 Q

Hình 4.5: Điều khiển trễ công suất thực và công suất phản kháng.

Các vector điện áp zero có tác động khác nhau lên P và Q do sự thay đổi của tốc độ rotor. Do rotor có giá trị điện trở nhất định nên sự tác động của vector zero trở phức tạp hơn, đặc biệt là khi tốc độ rotor đạt đến tốc độ đồng bộ

Bảng 4.2: Bảng đóng cắt tối ưu.

I II III IV V VI

Sp=1 101 100 110 10 011 001

Sp=0 100 110 010 011 001 101

Sq=1

Sp= -1 110 010 011 001 101 100

Sp=1 001 101 100 110 010 011

Sp=0 111/

000

111/

000

111/

000

111/

000

111/

000

111/

Sq=0 000

Sp= -1 010 011 001 101 100 110

Sp=1 001 101 100 110 010 011

Sp=0 011 001 101 100 110 010

Sq=0

Sp= -1 010 011 001 101 100 110

Dựa vào những phân tích ở trên, bảng đóng cắt tối ưu được bố trí như trong bảng 4.2. Việc lựa chọn hai vector điện áp zero ở hai trạng thái Sq=0 và Sp=0 được sử

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

dụng để giảm tần số chuyển đổi. Hình 4.6 đề xuất phương pháp điều khiển công suất thực và công suất phản kháng.

Hình 4.6: Sơ đồ đề xuất điều khiển DPC của DFIG.

Trong hình 4.6, các giá trị của điện áp và dòng điện của stator được chuyển đổi sang hệ quy chiếu , sau đó tính toán công suất thực và công suất phản kháng, và ước lượng từ thông stator. Tốc độ và vị trí của rotor được đo và được dùng để chuyển đổi từ thông stator từ hệ quy chiếu  sang hệ quy chiếu rr. Các giá trị Ps, Qs được tính toán ở trên đem so sánh với các giá trị tham chiếu của nó (giá trị yêu cầu) cho ra các kết quả Sp, Sq. Các giá trị Sp, Sq được đưa vào bảng đóng cắt tối ưu cùng với vị trí của từ thông stator để được các các trạng thái đóng cắt thích hợp. Cuối cùng, trạng thái đóng cắt được đưa vào bộ biến tần để chuyển đổi công suất cho phù hợp.

4.5 Bộ hiệu chỉnh PID Anti – Windup.

Bộ hiệu chỉnh PID anti – windup được mô tả như hình 4.7.

Hình 4.7: Bộ hiệu chỉnh PID anti – windup.

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

Trong điều khiển tốc độ, tốc độ hồi tiếp được so sánh với tốc độ đặt thông qua bộ hiệu chỉnh PID để cải thiện đáp ứng quá độ như giảm vọt lố, giảm sai số xác lập.

Khi ngõ ra của bộ PID lớn hơn một giá trị bão hòa được định trước thì bộ giới hạn Anti-windup sẽ tác động làm giảm nhanh chóng giá trị ngõ ra bởi khâu tỉ lệ 1/T (với T  1)

Bộ PID đặc trưng bởi 3 tham số hiệu chỉnh là K (hệ số khuếch đại), Td (thời hằng vi phân), Ti (thời hằng tích phân) và được xác định từ các tham số đặc trưng của hệ thống mà ta khảo sát.

4.6 Bộ biến đổi công suất back – to – back Converter (AC – DC – AC)

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép là máy điện cảm ứng rotor dây quấn, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện và rotor được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Bộ chuyển đổi AC/DC kết nối với dây quấn rotor, được gọi là bộ chuyển đổi phía rotor, còn bộ chuyển đổi DC/AC được gọi là bộ chuyển đổi phía lưới. Máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) được dùng rộng rãi cho các turbine gió có công suất cao. DFIG có thể điều khiển dòng điện rotor cho phép điều khiển công suất phản kháng và hoạt động với tốc độ gió thay đổi, vì vậy, nó có thể hoạt động với hiệu suất tối đa trên một phạm vi rộng của tốc độ gió.

Các turbine gió DFIG ngày nay sử dụng bộ chuyển đổi tần số bằng bộ chuyển đổi PWM kết hợp với khối điện áp DC link kết nối giữa hai bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi công suất thường được điều khiển bằng phương pháp điều khiển vector, cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng.

Trong chế độ hoạt động bình thường, bộ chuyển đổi phía rotor dùng để điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng trên lưới điện; bộ chuyển đổi công suất phía lưới có thể giữ cho điện áp DC trên tụ điện giữ một giá trị xác lập không phụ thuộc vào cường độ và chiều của công suất rotor, đảm bảo phù hợp với hệ số công suất của hệ thống.

4.6.1 Mô hình Converter kết nối rotor máy phát với lưới.

Bộ chuyển đổi công suất được dùng để kết nối giữa rotor và lưới, cho phép điểu khiển nhanh và linh hoạt máy phát điện bằng cách điều chỉnh điện áp AC đặt vào rotor của máy phát với phương pháp nhân thêm hệ số điều độ rộng xung sin PWM. Dựa vào sự cân bằng công suất AC và DC phía converter, điện áp DC và

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

dòng DC có thể được tính toán theo phương trình 3.20. Quan hệ giữa AC-DC trong phương pháp điều chế độ rộng xung là:

DC r

ACr PWM U

U .

2 2

 3 (4.22)

DC i

ACr PWM U

U .

2 2

 3 (4.23)

Trong đó, PWMr , PWMi là thành phần thực và ảo của hệ số điều chế tương ứng.

Giả sử sơ đồ cầu chuẩn gồm sau transitor (IGBT) xây dựng bộ biến đổi công suất và mô hình điều khiển độ rộng xung sin thì mối quan hệ giữa AC và DC được tính toán từ phương trình (bỏ qua công suất tổn thất trên bộ converter):

PAC = Re(UAC.IDC*

) = UDC.IDC = PDC (4.24)

Mô hình bộ nghịch lưu ba pha cấp nguồn cho rotor máy phát, trong thực tế, bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu như hình

Hình 4.8: Bộ nghịch lưu áp 3 pha Giả thiết tải 3 pha thỏa mãn hệ thức:

ut1 + ut2 + ut3 = 0 (4.25)

gọi N là điểm nút tải ba pha dạng sao, điện áp nút tải ut1, ut2, ut3 :

ut1 = u10 – uN0; ut2 = u20 – uN0 , ut3 = u30 – uN0. (4.26)

Điện áp u10 , u20 , u30 được gọi là điện áp pha – tâm của các pha 1, 2, 3. Các điện áp ut1, ut2, ut3 và uN0 có chiều dương quy ước như trên hình 4.8.

Cộng hai vế của biểu thức (4.26) và kết hợp với phương trình (4.25) ta được:

0 = u10 + u20 + u30 – 3uN0 (4.27)

Suy ra:

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

51 3

30 20

10 u u

uNO u  

 (4.28)

Thay uN0 vào biểu thức tính điện áp mỗi tải, có được:

3 2 10 20 30

u u

ut u  

 ;

3 2 20 10 30

u u

ut u  

 ;

3 2 30 20 10

u u

ut u  

 (4.29)

Quy ước:

 Giả thiết bộ nghịch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình 4.8. Giả thiết các công tắc chung nút tải được kích đóng theo quy tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu.

 Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị +U/2 nếu công tắc lẻ của pha được kích đóng và –U/2 nếu công tắc chẵn được kích không phụ thuộc vào trạng thái dòng điện.

4.6.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (PWM)

Về nguyên lý, phương pháp này thực hiện dựa trên kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng công tắc dựa trên cơ sở so sánh hai tính hiệu cơ bản như trong hình 4.9.

Hình 4.9: Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.

 Sóng mang up tần số cao có dạng hình tam gia.

 Sóng điều khiển ur (hoặc sóng điều chế dạng sin). Công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up). Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng.

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

Gọi mf là tỷ số điều chế tần số:

mf  fs (4.30)

Với fs là tần số sóng mang, f1 là tần số điện áp vào Converter.

Giá trị của mf thường được chọn  9. Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao đóng cắt linh kiện lớn.

Tương tự, gọi ma là tỷ số điều chế biên độ:

DC ref ref

a U

U U

m U

max 2



 (4.31)

Nếu ma < 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì biên độ thành phần cơ bản điện áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.

Nếu ma > 1 (biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang) thì biên độ hài cơ bản của điện áp ngõ ra tăng không tuyến tính theo biến ma . Lúc này, xuất hiện hiện tượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ơ mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước. Trường hợp này còn gọi là quá điều chế.

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

4.7 Mô hình bộ điều khiển trong Matlab/simulink.

Hình 4.10: Mô hình bộ điều khiển trong Matlab/Simulink.

Mô hình bộ điều khiển converter phía lưới.

Hình 4.11: Mô hình bộ điều khiển phía lưới

Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

Hình 4.12: Mô hình khối DC – link Mô hình khối điều khiển rotor.

Hình 4.13: Mô hình khối điều khiển tốc độ rotor.

Mô hình này lấy tín hiệu tốc độ so sánh với giá trị đặt khâu điều khiển PI cho tín hiệu ngõ ra dùng để điều khiển góc pitch.

Các thông số điều khiển là Kp = 50, Ki = 2000.

Mô hình bộ nghịch lưu áp cấp nguồn cho rotor máy phát.

Hình 4.14: Mô hình bộ nghịch lưu áp.

Số cánh quạt của turbine