TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPTrương Nhật Tiên NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGU
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Trương Nhật Tiên
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
THÁI NGUYÊN 2014
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Trương Nhật Tiên
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
TS Ngô Đức Minh
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN
THÁI NGUYÊN – 2014
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá 2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS Ngô Đức Minh Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là
“Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014
Học viên
Trương Nhật Tiên
Trang 4LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch Ví dụ như: phong điện, điện mặt trời, V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định Tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, đứng trước
sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng) Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến đổi điển tử công suất điển hình kiểu biến tần 4 Q để áp dụng cho hệ nguồn
Trang 5điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời Xây dựng mô hình hệ nguồn điện sưc gió và pin Mặt trời
Nội dung nghiên cứu được bố cục thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về biến tần 4Q
Chương 2: Nghiên sử dụng năng lượng tái tạo:
- Năng lượng gió
- Năng lượng Mặt trời Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống
Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình
của thầy giáo TS Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với
kết quả mong muốn đạt được Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy hướng dẫn TS Ngô Đức
Minh cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
– Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này
Học viên
Trương Nhật Tiên
Trang 6MỤC LỤC
Chương 1 1
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Biến tần 4 góc phần tư 6
1.2.1 Chỉnh lưu PWM 6
1.2.1.1 Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM: 6
1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM: 8
1.2.2 Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM 11
1.3 Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 12
1.4 Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM 14
1.4.1 Mô tả dòng điện và điện áp nguồn 14
1.4.2 Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM 15
1.4.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc 16 1.4.4 Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β 17
1.4.5 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 18
1.4.6 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC 21
1.4.7 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC 24
1.3 Kết luận chương 1 27
Chương 2 28
NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 28
2.1 Tổng quan về năng lượng và tái tạo 28
2.2 Máy phát điện sức gió 29
2.2.1 Lịch sử phát triển của năng lượng gió 29
2.2.2 Các loại turbine gió 32
2.2.3 Tính toán công suất của gió 35
2.2.4 Máy phát điện turbine gió 39
2.2.4.1 Các máy phát đồng bộ 39
2.2.4.2 Máy phát không đồng bộ cảm ứng 40
Trang 72.2.5 Công suất trung bình của gió 47
2.2.5.1 Biểu đồ gió gián đoạn 48
2.2.6 Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió 52
2.2.6.1 Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung bình 53
2.2.6.2 Các cánh đồng gió 54
2.2.7 Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine 58
2.3 Pin lượng Mặt trời 61
2.3.1 Năng lương Mặt trời 61
2.3.2 Mô hình nguồn điện pin Mặt trời 63
2.3.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 64
2.3.3 Vấn đề tích trữ năng lượng 72
2.3.4 Hoạt động của pin Mặt trời 75
2.3.5 Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O 80
2.4 Kết luận chương 2 86
Chương 3 87
MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 87
3.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống 87
3.2 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép [6Q] 89
3.2.1 Giới thiệu chung 89
3.2.2 Mô hình hóa mô phỏng hệ DFIG 91
3.3 Kết luận chương 3 98
KẾT LUẬN CHUNG 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
Trang 8HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1 1 Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng 1
Hình 1 2 Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng 2
Hình 1 3 Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư 6
Hình 1 4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM 7
Hình 1 5 Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều 8
Hình 1 6 Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 9 Hình 1 7 Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM 11
Hình 1 8 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 13
Hình 1 9 Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM 14
Hình 1 10 Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên 17
Hình 1 11 Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β 18
Hình 1 12 Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 19
Hình 1.13 Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL 20
Hình 1 14 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC 21
Hình 1 15 Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC 22
Hình 1 16 Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào 23
Hình 1 17 Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo 24
Hình 1 18 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC 24
Hình 1 19 Sơ đồ véc tơ VOC Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q 25
Hình 2 1 Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm 31 Hình 2 2 Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002 31
Hình 2 3 Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002 32
Hình 2 4 Một số Turbine gió điển hình 33
Hình 2 5 Công suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm 37
Trang 9Hình 2 6 Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus 38
Hình 2 7 Máy phát đồng bộ 3 pha 40
Hình 2 8 Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm 41
Hình 2 9 Mô hình máy phát điện cảm ứng 42
Hình 2 10 Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau được bao quanh nó một điện trường quay 43
Hình 2 11 Mô tả nguyên lý máy phát 44
Hình 2 12 Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng 45
Hình 2 13 Máy phát cảm kháng từ kích từ Các tục ngoài cộng hưởng với điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng 47
Hình 2 14 Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ 50 Hình 2 15 Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ô của turbine gió 55 Hình 2 16 Khoảng cách tối ưu của các tháp 56
Hình 2 17 Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió 58
Hình 2 18 Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) không có điện tử công suất 59
Hình 2 19 Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử công suất 60
Hình 2 20 Cấu hình đồng bộ điện tử công suất 61
Hình 2 21 Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời 62
Hình 2 22 Mô hình khai thác năng lượng từ nguồn PV 63
Hình 2 23 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 65
Hình 2 24 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 66
Hình 2 25 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 68
Hình 2 26 Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 69
Hình 2 27 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 69
Hình 2 28 Bộ biến đổi DC/AC 1 pha 71
Hình 2 29 Mô hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV 72
Trang 10Hình 2 30 Tổ hợp nguồn pin Mặt trời 75
Hình 2 31 Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell 76
Hình 2 32 Đặc tính V-I của một PV cell 76
Hình 2 33 Ghép nối tiếp PV cell 77
Hình 2 34 Ghép song song PV cell 77
Hình 2 35 Một Array pin Mặt trời 77
Hình 2 36 Mô hình mạch điện nguồn PV Array 78
Hình 2 37 Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP 78
Hình 2 38 Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ 79
Hình 2 39 Đặc tính thực tế của PV Array 79
Hình 2 40 Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ 80
Hình 2 41 Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi 80
Hình 2 42 Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O 83
Hình 2 43 Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O 84
Hình 3 1 Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha 87 Hình 3 2 Mô hình DFIG với Biến tần 4 Q 87
Hình 3 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một chiều 88
Hình 3 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời 88
Hình 3 5 Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ MP 90
Hình 3 6 Cấu trúc mô phỏng hệ DFIG-4Q 92
Hình 3 7 Tốc độ rotor 93
Hình 3 8 Công suất phát ra từ DFIG 94
Hình 3 9 Điện áp trên Stator (điện áp lưới) 95
Hình 3 10 Dòng điện Stator phát vào lưới 95
Trang 11Hình 3 11 Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay đổi 96 Hình 3 12 Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1 97 Hình 3 13 Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1 97
Bảng 1 1 Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC 22
Bảng 2 2 Bảng tổng kết đặc điểm của thuật toán P&O 85
Trang 12Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ
1.1 Giới thiệu chung
Kể từ khi lý thuyết điều khiển/điều chỉnh phát triển và khẳng định thế mạnh được các thế mạnh của nó một cách vững chắc, thì các bộ biến đổi cũng đồng thời cũng được phát triển cùng nhịp độ để đáp ứng nhu cầu thực tế Hơn nữa kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển như vũ bão, công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử công suất đạt được trị số ngày càng cao cả về dòng và áp với giá thành ngày càng hạ Việc ứng dụng các bộ biến đổi để điều chỉnh dòng năng lượng theo hai chiều thuận nghịch không những chỉ được ứng dụng trong truyền động điện mà còn phát triển mạnh mẽ làm phần tử ghép nối giữa các nguồn điện với lưới, hình 1.1 và hình 1.2 Để làm được điều này bộ biến đổi tích cực đã khẳng định có nhiều phẩm chất tiến bộ hơn hẳn những bộ biến đổi truyền thống, thời kỳ đầu Đối tượng ta đang nói tới, đó là bộ biến đổi PWM [1],[2]
Hình 1 1 Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng
Trang 13Công suất của các Bộ biến đổi PWM có thể đạt từ vài trăm W đến hàng
MW được ứng dụng điều khiển cho các động cơ không đồng bộ 3 pha hay động cơ đồng bộ 3 pha
Trong truyền động điện, xuất hiện chế độ hãm tái sinh, năng lượng đổi chiều qua bộ biến đổi trả về lưới, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong một số hệ truyền động có chế độ đảo chiều thường xuyên như: thang máy nhà cao tầng, dây chuyền đóng gói tự động, cầu trục hay các truyền động trong giao thông vận tải ở chế độ hãm tái sinh, năng lượng thừa sẽ được phát trả về lưới, nếu lớn thì điện áp có thể dâng rất cao Để không gây hỏng thiết bị hay báo lỗi quá trình thì bộ biến đổi phải luôn kịp thời chuyển năng lượng dư thừa
về lưới một cách hoàn hảo
Nghiên cứu các quá trình đổi chiều dòng công suất qua bộ biến đổi để có thể thu hồi năng lượng từ đối tượng điều khiển (động cơ) trả về nguồn ở chế
độ hãm, tương tự như vậy ta có thể đề xuất hướng nghiên cứu quá trình trao đổi công suất giữa hai nguồn công suất cục bộ và xác định các chiến lược điều khiển
Trong hệ thống điện hiện nay, việc phát triển các nhà máy điện công suất
Hình 1 2 Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng
NL MC CL U2 , f 2
Trang 14lớn có tính chất truyền thống đang làm cho các nguồn năng lượng sơ cấp ngày một cạn kiệt và gây nhiều tác hại đến môi trường, môi sinh dưới nhiều hình thức ảnh hưởng khác nhau Để khắc phục điều này, nhiều tổ chức quốc tế đang đang khuyến khích sản xuất năng lượng điện theo công nghệ sạch, quy
mô vừa và nhỏ, không gây tác động làm thay đổi các điều kiện tự nhiên như các thủy điện nhỏ, phong điện, điện Mặt trời vv Như vậy vấn đề huy động công suất từ các nguồn phát nhỏ, cục bộ cho lưới điện chung là bài toán được
đề cập tới của hướng nghiên cứu
Điều ta vừa nói tới là bộ biến đổi có thể truyền đạt năng lượng xoay chiều theo hai hướng được ứng dụng trong hai lĩnh vực khác nhau:
1 Trong lĩnh vực thứ nhất - truyền động điện, quá trình hoàn trả năng lượng về lưới chỉ xảy ra khi hãm tái sinh, quá trình này là không liên tục, có chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, có quá trình quá độ, năng lượng trung bình của một lần hãm không lớn Tuy nhiên dòng công suất trả về lưới cũng đòi hỏi chất lượng càng cao càng tốt để nâng cao hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng, hình 1.1
2 Trong lĩnh vực thứ hai - trao đổi công suất giữa các nguồn cục bộ hay với lưới, quá trình xảy ra với thời gian kéo dài, liên tục, hình 1.2 Dòng năng lượng qua bộ biến đổi có công suất có thể rất lớn và phải đạt được các chỉ tiêu mong muốn đặt trước
Hệ thống này thể hiện một số ưu điểm như sau:
Khả năng hãm tái sinh: Như ta đã biết, một động cơ có thể hoạt động
ở cả chế độ động cơ và máy phát Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều Trong một số trường hợp, năng lượng này là nhỏ và có thể được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều Trong quá trình hãm này, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá
áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các