BlackStart Capability of DFIG Wind Turbines Through a GridForming Control Based on the Rotor Flux Orientation

TÓM TẮT Sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng tái tạo trong hệ thống điện đang đòi hỏi các dịch vụ mới từ các trang trại điện gió. Đặc biệt, các nhà điều hành hệ thống lo ngại về việc khôi phục hệ thống sau khi sự cố mất điện và các mã lưới điện mới đang được xem xét yêu cầu sự tham gia của các trang trại điện gió trong quá trình khôi phục. Khởi động đen yêu cầu các trang trại gió phải có khả năng kiểm soát điện áp và tần số trong một lưới điện bị cách ly. Bài báo này đề xuất việc sử dụng một điều khiển tạo lưới mới cho máy phát điện cảm ứng được cấp nguồn kép (DFIG) để khôi phục hệ thống sau sự cố mất điện. Điều khiển tạo lưới được đề xuất sử dụng nguyên tắc định hướng từ thông rôto, cho phép tạo ra sức điện động bên trong để điều khiển theo cách này điện áp đầu cuối và tần số. Sau đó, người ta chứng minh rằng cường độ và tần số từ thông rôto có thể được điều khiển bằng điện áp rôto đặt vào bộ biến đổi phía rôto của DFIG. Bài báo cũng đề xuất một hệ thống điều khiển tuabin gió để cân bằng công suất theo yêu cầu của tải tại hệ thống cơ khí tuabin gió. Khả năng khởi động đen của hệ thống điều khiển đề xuất đã được xác nhận thông qua một mô phỏng toàn diện. Hệ thống mô phỏng bao gồm một trang trại gió với hai tuabin gió dựa trên DFIG được kết nối song song với một điểm khớp nối chung cung cấp động cơ cảm ứng thông qua một bộ nạp. Ngoài ra, sự đồng bộ của hệ thống cô lập với lưới điện chính đã được mô phỏng, thể hiện khả năng của hệ thống điều khiển được đề xuất trong việc hoàn thành thành công quá trình khôi phục

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN CUNG CẤP ĐIỆN

  

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: Black-Start Capability of DFIG Wind Turbines Through a Grid-Forming

Control Based on the Rotor Flux Orientation

Môn học: Điện tử công suất trong hệ thống điện gió và mặt trời GVHD: PGS TS Phan Quốc Dũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN CUNG CẤP ĐIỆN

BÁO CÁO KẾT QUẢ LÀM VIỆC NHÓM VÀ BẢNG ĐIỂM BÀI TIỂU LUẬN

Học phần: (EE5130) - Điện tử công suất trong hệ thống điện gió và mặt trời

Điểm (GV chấm)

Ký tên (Học viên)

1 2170671 NguyễnHữu Phước

Tham gia xây dựng, góp

ý hoàn thiện báo cáodocx, ppt và tổng hợphoàn chỉnh báo cáo

Chương 1, 2, 3, 5, 8

2 2170657 La Phan Lạc Như trên;Chương 7

3 2170681 TrầnTrung Thông Như trên;Chương 4

4 2170668 Lê Nhân Như trên;Làm MyEnglishLab

5 2170675 NguyễnVăn Thái Như trên;Chương 6

Họ và tên nhóm trưởng: Nguyễn Hữu Phước, ĐT: 0962.064360, Email: nhphuoc.sdh212@hcmut.edu.vn

Nhận xét của GV:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU (INTRODUCTION) 6

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ HỆ THỐNG (SYSTEM DESCRIPTION) 9

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY PHÁT CẢM ỨNG CẤP NGUỒN KÉP (DFIG) 10

A MÔMEN VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 12

B SƠ ĐỒ EFM VÀ VECTƠ NỘI BỘ 12

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT CẢM ỨNG CẤP NGUỒN KÉP KẾT NỐI LƯỚI (DFIG GRID-FORMING CONTROL) 15

A VÒNG LẶP ĐỒNG BỘ HÓA MÔMEN XOẮN (TORQUE SYNCHRONIZATION LOOP_TSL) 15

B BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỔI PHÍA ROTOR 16

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN TUABIN GIÓ (WIND TURBINE CONTROL)20 CHƯƠNG 6: MÔ TẢ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRANG TRẠI GIÓ (WIND FARM DESCRIPTION AND CONTROL) 22

A MÔ TẢ TRANG TRẠI GIÓ 22

B ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ TẠI PCC 22

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG (SIMULATION RESULTS) 26

A NĂNG LƯỢNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 26

B ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TRỰC TIẾP 29

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN (CONCLUSION) 33

PHỤ LỤC THÔNG SỐ GIÓ VÀ THÔNG SỐ DFIG 34

NHẬN XÉT 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

MỞ ĐẦU

Bài báo khoa học trình bày về đề tài “Black-Start Capability of DFIG Wind Turbines Through a Grid-Forming Control Based on the Rotor Flux Orientation”, gồm các vấn đề như sau:

1) Tính cấp thiết của đề tài và ý nghĩa của việc nghiên cứu đề tài này đối với thực tiễn:

TÓM TẮT Sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng tái tạo trong hệ thốngđiện đang đòi hỏi các dịch vụ mới từ các trang trại điện gió Đặc biệt, các nhà điềuhành hệ thống lo ngại về việc khôi phục hệ thống sau khi sự cố mất điện và các mãlưới điện mới đang được xem xét yêu cầu sự tham gia của các trang trại điện gió trongquá trình khôi phục Khởi động đen yêu cầu các trang trại gió phải có khả năng kiểmsoát điện áp và tần số trong một lưới điện bị cách ly Bài báo này đề xuất việc sử dụngmột điều khiển tạo lưới mới cho máy phát điện cảm ứng được cấp nguồn kép (DFIG)

để khôi phục hệ thống sau sự cố mất điện Điều khiển tạo lưới được đề xuất sử dụngnguyên tắc định hướng từ thông rôto, cho phép tạo ra sức điện động bên trong để điềukhiển theo cách này điện áp đầu cuối và tần số Sau đó, người ta chứng minh rằngcường độ và tần số từ thông rôto có thể được điều khiển bằng điện áp rôto đặt vào bộbiến đổi phía rôto của DFIG Bài báo cũng đề xuất một hệ thống điều khiển tuabin gió

để cân bằng công suất theo yêu cầu của tải tại hệ thống cơ khí tuabin gió Khả năngkhởi động đen của hệ thống điều khiển đề xuất đã được xác nhận thông qua một môphỏng toàn diện Hệ thống mô phỏng bao gồm một trang trại gió với hai tuabin giódựa trên DFIG được kết nối song song với một điểm khớp nối chung cung cấp động cơcảm ứng thông qua một bộ nạp Ngoài ra, sự đồng bộ của hệ thống cô lập với lưới điệnchính đã được mô phỏng, thể hiện khả năng của hệ thống điều khiển được đề xuấttrong việc hoàn thành thành công quá trình khôi phục

ĐIỀU KHOẢN CHỈ SỐ Bộ chuyển đổi điện tạo lưới, năng lượng gió, máy phátđiện cảm ứng được cấp nguồn kép, đáp ứng tần số

2) Mục đích và phương pháp nghiên cứu: Đọc hiểu bài báo khoa học và viết báo cáo trình bày.

3) Kết cấu đề tài: Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung đề tài gồm 04 Chương.

Bài báo này được tổ chức như sau:

Phần II, Tuabin gió DFIG được mô tả, bao gồm cả hệ thống điều khiển của nó.

Phần III, các phương trình động lực học DFIG trong một vòng quay dq hệ quy chiếu được trình bày, cũng như các biểu thức của mômen điện từ và công suất phản kháng là hàm của góc tải máy phát điện

Phần IV, mô-men xoắn vòng lặp đồng bộ hóa và định hướng thông lượng rôto DFIG các nguyên tắc được trình bày

Phần V tuabin gió kiểm soát cho khởi động đen được trình bày

Phần VI giới thiệu cấu hình của hệ thống điện nơi bắt đầu đen quá trình

diễn ra Hệ thống bao gồm hai DFIG gió tuabin kết nối với PCC Từ PCC, gió trang trại được kết nối với lưới điện chính thông qua một công tắc chính, trong khi tải động cục bộ được kết nối thông qua một bộ trung chuyển Ngoài ra, trong phần này, một sơ đồ kiểm soát thứ cấp được trình bày để điều khiển tần số và điện áp tại PCC, bằng cách tác động về các điểm đặt tuabin gió DFIG

Phần VII cho thấy kết quả mô phỏng cho quá trình khởi động đen trang trại gió và đồng bộ với lưới điện chính

Cuối cùng, trong Phần VIII, kết luận cuối cùng của công việc này được thảo luận.

Các từ viết tắt:

Vi t t t ế ắ Tiếng anh Tiếng Việt

BESS Battery Energy Storage System Hệ thống lưu trữ nănglượng pinBSU Black Start Unit Đơn vị khởi động đen

DFIG Doubly Fed Induction Generator Máy phát cảm ứng cấpnguồn képFFR Fast Frequency Response Đáp ứng tần số nhanh

GSC Grid-Side Converter Công cụ chuyển đổi bênlướiHVDC High Voltage Direct Current Dòng điện một chiều điệnáp caoLVRT Low-Voltage Ride Through Đi qua điện áp thấp

MPPT Maximum Power Point Tracking Theo dõi điểm công suấttối đaPCC Point of Common Coupling Điểm nối chung

PI Proportional-Integral Controller Bộ điều khiển Tích phân-Tỷ lệPLL Phase Locked Loop Vòng lặp bị khóa theo phaPWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xungRSC Rotor-Side Converter Công cụ chuyển đổi bênrôto

SG Synchronous Generator Máy phát điện đồng bộ

TSL Torque Synchronization Loop Vòng lặp đồng bộ hóa mô-men xoắnT&F Torque And Flux Estimator Công cụ ước tính mô-menxoắn và từ thôngUPS Uninterruptible Power Supply Bộ nguồn lưu trữ điệnVSC Voltage Source Converter Bộ chuyển đổi nguồn điệnápVSM Virtual Synchronous Machine Máy đồng bộ ảo

VSynC Virtual Synchronous Control Điều khiển đồng bộ ảoWTC Wind Turbine Control Điều khiển tuabin gió

Symbols  

Vi t t t ế ắ Tiếng anh Tiếng Việt

λ, β Tip Speed Ratio, Pitch Angle Tỷ lệ tốc độ, góc pitch

ωr Electrical Rotational Speed of The

Rotor Tốc độ quay điện của Ro-tor

θr, θslip, θPLL Rotor, Slip and Pll Góc roto-trượt-PLL

es Internal Electromotive Force Lực điện động bên trong

J, D, R Inertia, Damping and Droop Con-stants Các hằng số quán tính,giảm xóc và sụt áp

Ks Synchronization Constant Hằng số đồng bộ hóa

kv Voltage Controller Droop Constant Bộ điều khiển điện ápkhông đổi

Ls, Lr Total Stator and Rotor Inductances Tổng điện cảm Stator vàRotor

Lm Magnetizing Inductance Điện cảm từ hóa

P, Q Active and Reactive Power Công suất tác dụng vàphản kháng

Rs, Rr Stator And Rotor Resistances Điện trở Stator và Rotor

Ts, Tr Stator And Rotor Time Constants Hằng số thời gian Stator vàRotor

Tw, Tv Frequency And Voltage Secondary

Control Integrator Time Constants

Hằng số thời gian của bộtích hợp điều khiển thứ cấptần số và điện áp

v, λ, i Voltage, Flux and Current Điện áp, từ thông và dòngđiện

Subscripts  

α, β Real and Imaginary Components inA Stationary Reference Frame Các thành phần thực và ảotrong khung tham chiếu

tĩnh

a, b, c Instantaneous Phase Magnitudes Độ lớn pha tức thời

d, q Direct And Quadrature Compo-nents Các thành phần trực tiếp vàvuông góc

emf Electromotive Force Lực điện động

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU (INTRODUCTION)

Việc tích hợp quy mô lớn phát điện tái tạo trong hệ thống điện đã diễn ra trongvài năm qua Năm 2019, tỷ trọng năng lượng tái tạo trong công suất phát điện mới đạt70% [1] Do đó, các máy phát điện đồng bộ thông thường, chẳng hạn như các thiết bịnhiệt, đang được thay thế bằng thế hệ tái tạo dựa trên bộ biến đổi, do đó không chỉ làmgiảm quán tính của hệ thống mà còn làm giảm khả năng điều chỉnh tần số và điện áp.Việc chuyển đổi này có tác động đáng kể đến hệ thống điện, hệ thống điện đang đượcvận hành gần với các giới hạn kỹ thuật hơn với chi phí là rủi ro mất điện gia tăng Xãhội của chúng ta ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào điện, và do đó chi phí kinh tế và

xã hội khổng lồ liên quan đến mất điện trên diện rộng đòi hỏi hệ thống điện phải đượckhôi phục càng sớm càng tốt

Để cung cấp càng nhiều năng lượng tái tạo sẵn có càng tốt, các tổ máy phát điệnthông thường thường xuyên không hoạt động, và do đó số lượng máy phát điện sẵnsàng tham gia khôi phục điện sau khi mất điện tại một thời điểm nhất định có thể bịhạn chế Khởi động nguội và đưa các thiết bị này lên mạng có thể kéo dài thời gianmất điện rất nhiều Các công nghệ sản xuất điện gió gần đây, do tăng tính linh hoạt vàkhả năng điều khiển của chúng, có thể góp phần vào giai đoạn đầu của quá trình khôiphục điện năng, ngoài các máy phát điện thông thường, chẳng hạn như các đơn vị thủyđiện và khí đốt [2] Có hai tùy chọn chính để khôi phục mạng sau khi mất điện Quytrình đầu tiên là quy trình từ trên xuống trong đó lưới điện cao áp được cung cấp nănglượng từ các mạng xung quanh không bị ảnh hưởng bởi mất điện Sau đó, nó là tươngđối đơn giản để khôi phục mạng truyền tải phụ để cung cấp các tải trọng quan trọng vàcác hệ thống phụ trợ khác máy phát điện, đến lượt nó có thể góp phần vào việc khôiphục quá trình Tùy chọn thứ hai là cách tiếp cận từ dưới lên trong mà một số hòn đảođộc lập được cung cấp năng lượng bởi các đơn vị khởi động đen (BSU) để cung cấpcác tải quan trọng Sau đó, những hòn đảo này được đồng bộ hóa và dần dần kết nối lại

để khôi phục hệ thống điện ban đầu [3] Cách tiếp cận này, trong khi hơn thế nữa phứctạp, là bắt buộc khi lưới điện lân cận không có sẵn trong thời gian mất điện nghiêmtrọng và trên diện rộng Hệ thống tái tạo có thể góp phần khôi phục từ dưới lên bằngcách hoạt động như máy phát điện tạo lưới, giữ điện áp và tần số ổn định và cung cấpcho tải cục bộ trong một đảo điện Tuy nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được nếunăng lượng sơ cấp có sẵn nguồn vượt quá nhu cầu phụ tải Do đó, để khắc phục hạnchế này, hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) là dự kiến sẽ cung cấp thêm nguồnđiện dự phòng để tái tạo thế hệ trong quá trình phục hồi [4]

Trong những năm qua, mã lưới ngày càng trở nên nghiêm ngặt, và gần đây làmạng truyền dẫn Châu Âu nhà điều hành hệ thống cho mã lưới điện (ENTSO-E) baogồm hoạt động đảo và các yêu cầu khởi động đen [5] Ngoài ra, một số TSO, nhưngười Anh và người Bỉ, đang nghiên cứu để yêu cầu khả năng khởi động đen đối vớicác trang trại điện gió [6] Tiếp theo xu hướng này, các tuabin gió đã và đang dần triểnkhai các tính năng hỗ trợ lưới điện, chẳng hạn như tần số nhanh phản hồi (FFR), đi quađiện áp thấp (LVRT), cũng như các dịch vụ tiên tiến hơn, hiện đang được phát triểnmạnh, chẳng hạn như mô phỏng quán tính, giảm dao động công suất và đáp ứng côngsuất phản kháng nhanh [7] Gần đây, Quyền lực Scotland đã triển khai thành công khảnăng khởi động đen trong Nhà máy điện gió Dersalloch (69 MW), ở Nam Ayrshire(Scotland) [8] Điều này chỉ có thể thực hiện được nếu các tuabin gió được điều khiển

ở chế độ tạo lưới (GFM), hoạt động như một nguồn điện áp bằng cách mô phỏng mộtmáy đồng bộ ảo (VSM) [6], [9] Sự tích hợp của các nguồn tái tạo trong lưới điện phân

phối sử dụng bộ chuyển đổi GFM đã được mở rộng nghiên cứu cho microgrids [10],[11].

Một số chiến lược điều khiển GFM gần đây đã được đề xuất trong tài liệu chocác tuabin gió Kiểu IV chuyển đổi đầy đủ [12] - [16] Đối với máy phát điện cảm ứngđược cấp nguồn kép (DFIG) tuabin, một số phương án điều khiển cũng đã được pháttriển Trong [17], một điều khiển có tên là điều khiển đồng bộ ảo (VSynC) được trìnhbày cho các tuabin gió DFIG loại III, bao gồm điều khiển công suất hoạt động, điềukhiển điện áp và công suất phản kháng, một điều khiển giảm dao động công suất bổsung và dòng điện giới hạn trong quá trình giảm điện áp bằng cách sử dụng một điệntrở ảo Các vòng lặp đồng bộ hóa công suất hoạt động mô phỏng đồng bộ phương trìnhdao động đặc tính của máy phát điện (SG) Kỹ thuật tương tự được sử dụng trong [18]

để triển khai khả năng khởi động đen Một sơ đồ kiểm soát tương tự được trình bàytrong [19] trong đó phương trình điện từ của một SG được thực hiện trong một hệ quychiếu dq, bao gồm cả sự mô phỏng của một thống đốc và một bộ kích thích để cungcấp tần số công suất hoạt động (P / f) và điều chỉnh điện áp, tương ứng Trong [20]điều khiển vectơ DFIG được trình bày cho phép hoạt động khởi động đen với BESSkết nối với bus DC Sử dụng synchrophasors trong quy trình khôi phục nguồn điệntrong một hệ thống bao gồm DFIG nhà máy điện gió và bộ chuyển đổi nguồn điện áp(VSC) các liên kết HVDC được xem xét trong [21] Hoạt động GFM trong sự khởi đầuđen tối trong các nhà máy điện gió ngoài khơi được trình bày trong [22] Trong [23]một điều khiển mới của một DFIG để hoạt động độc lập ứng dụng được đề xuất.Tương tự, [24] đề xuất kiểm soát của một tuabin gió đầy đủ bộ chuyển đổi cho ứngdụng độc lập

Kết luận, ngày nay các trang trại điện gió không tham gia vào khôi phục hệ thốngsau khi mất điện, bởi vì chúng không có khả năng tạo lưới cần thiết để cung cấp nănglượng cho hệ thống và cho ăn các tải đảo Vì vậy, hiện nay, phục hồi thông thường dựatrên năng lượng nhiệt và thủy lực thực vật Tuy nhiên, khi năng lượng gió đang thaythế các đơn vị đó, họ cũng sẽ phải cung cấp dịch vụ như vậy Mặt khác tay, người tacho rằng điều khiển hình thành lưới là có nghĩa là đối với các trang trại gió góp phầnkhôi phục hệ thống Về mặt này, National Grid ESO đã thử nghiệm thành công khảnăng của một bộ chuyển đổi VSM quy mô nhỏ [25] Cũng thế, Năng lượng tái tạoScotland phối hợp với Siemens Gamesa đã áp dụng điều khiển hình thành lưới choDersalloch Trang trại Gió ở Scotland [26], thể hiện sự khởi đầu đen tối cũng như khảnăng trong [27]

Do đó, nó đã được chứng minh rằng tuabin DFIG có khả năng của hoạt độngkhởi động đen bằng cách triển khai điều khiển GFM Tuy nhiên, các ấn phẩm nàykhông đề xuất bất kỳ đóng góp nào về cách đạt được quá trình khởi động đen liên quanđến một số các tuabin gió được kết nối song song trong một trang trại gió Như là một

sơ đồ điều khiển trước tiên phải cho phép đồng bộ hóa gió tuabin để khôi phục điện áp

và tần số tại điểm nối chung (PCC) của trang trại điện gió Nó sẽ sau có thể cung cấptải cục bộ và cuối cùng là đồng bộ hóa và kết nối lại với lưới điện lân cận Hơn nữa,khi cung cấp cho các tải đảo, năng lượng tuabin gió phải bằng công suất do tải yêucầu Vì vậy, hệ thống điều khiển phải có khả năng đạt được tỷ lệ chia sẻ công suất tảigiữa các tuabin gió và để cân bằng nhu cầu điện tại cơ khí tuabin gió hệ thống

Do đó, những đóng góp chính của bài báo này là:

 Đề xuất một điều khiển hình thành lưới mới bởi máy phát cảm ứng cấp nguồn

kép (DFIG) để khôi phục hệ thống sau khi mất điện.

 Điện áp và tần số được tạo ra được kiểm soát thông qua độ lớn và góc từ thôngcủa rôto bằng điện áp rôto được áp dụng bởi bộ biến đổi phía rôto của DFIG thông quađịnh hướng từ thông rôto

 Kiểm soát hình thành lưới được đề xuất cũng cho phép hoạt động đồng bộ củanhiều tuabin gió, đạt được cũng chia sẻ yêu cầu giữa các bên

 Một hệ thống điều khiển tuabin gió cũng được đề xuất cho cân bằng công suấttheo yêu cầu của tải tại tuabin gió hệ thống cơ khí, vì vậy tuabin gió cung cấp nănglượng yêu cầu của phụ tải điện

Chiến lược kiểm soát GFM cho các tuabin DFIG được hiển thị trong bài báo nàydựa trên một hệ quy chiếu quay dq có tốc độ quay được xác định bằng cách thực hiệnphương trình xoay SG Vectơ từ thông rôto máy là sau đó căn chỉnh về phía khung đóbằng cách tác động trực tiếp lên điện áp rôto Điều khiển hướng từ thông rôto cho phépkiểm soát mômen xoắn DFIG, đồng thời kiểm soát từ thông rôto độ lớn cho phép điềuchỉnh công suất phản kháng của máy và điện áp stator

Bài báo này được tổ chức như sau: trong Phần II, Tuabin gió DFIG được mô tả,bao gồm cả hệ thống điều khiển của nó Trong Phần III, các phương trình động lực họcDFIG trong một vòng quay dq hệ quy chiếu được trình bày, cũng như các biểu thứccủa mômen điện từ và công suất phản kháng là hàm của góc tải máy phát Trong Phần

IV, mômen xoắn vòng lặp đồng bộ hóa và định hướng thông lượng rôto DFIG cácnguyên tắc được trình bày Trong Phần V tuabin gió kiểm soát cho khởi động đenđược trình bày Phần VI giới thiệu cấu hình của hệ thống điện nơi bắt đầu đen quátrình diễn ra Hệ thống bao gồm hai DFIG gió tuabin kết nối với PCC Từ PCC, giótrang trại được kết nối với lưới điện chính thông qua một công tắc chính, trong khi tảiđộng cục bộ được kết nối thông qua một bộ trung chuyển Ngoài ra, trong phần này,một sơ đồ kiểm soát thứ cấp được trình bày để điều khiển tần số và điện áp tại PCC,bằng cách tác động về các điểm đặt tuabin gió DFIG Phần VII cho thấy kết quả môphỏng cho quá trình khởi động đen trang trại gió và đồng bộ với lưới điện chính Cuốicùng, trong Phần VIII, kết luận cuối cùng của công việc này được thảo luận

Hình 1 Sơ đồ điều khiển máy phát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG) tạo lưới

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ HỆ THỐNG (SYSTEM DESCRIPTION)

Hình 1 Thể hiện đầy đủ Sơ đồ điều khiển turbin gió dựa trên máy phát cảm ứngcấp nguồn kép kết nối trực tiếp lưới (DFIG-GFM)

Tua bin gió được kết hợp cơ khí đến rôto DFIG Stator được kết nối với mộttrong các cuộn dây điện áp thấp của máy biến áp nâng lên và rôto là được kết nối vớicuộn dây điện áp thấp khác thông qua bộ chuyển đổi dự phòng bao gồm bộ chuyển đổiphía lưới (GSC) và bộ biến đổi phía rôto (RSC) Một pin phụ được kết nối đến bus DCcủa bộ chuyển đổi hồi tiếp để cung cấp năng lượng cho bus DC ngay trong quá trìnhkhởi động tuabin gió [18]

Điều khiển DFIG hoạt động như sau: Vòng lặp đồng bộ hóa mô men xoắn (TSL)xác định góc điều khiển θ, là vị trí góc của trục d của trục quay hệ quy chiếu dq Từthông của rôto sẽ được định hướng dọc theo trục d, vì nó sẽ được hiển thị sau Đầu vàocủa TSL là sự khác biệt giữa mômen tham chiếu T e¿

và mômen điện từ ước tính T❑e

.Trong hoạt động liên kết với lưới, mômen tham chiếu T e¿ được xác định bằng cách tuântheo điểm công suất tối đa, điều đó phụ thuộc vào tuabin gió tốc độ quay ω r Tronghoạt động cô lập, mômen xoắn là được xác định bởi tải được cung cấp bởi máy phátđiện, vì nó sẽ được hiển thị sau

Mômen T❑e

được ước tính từ stator đo được dòng điện và điện áp là i s , abcvà v s ,abc

Từ thông dq của rôto các thành phần λ❑dr

và λ❑qr

thu được bằng cách sử dụng góc điềukhiển θvà dòng điện stator và rôto đo được i r , abc Bộ biến đổi phía rôto (RSC) điềukhiển thu được các điện áp rôto để điều chỉnh từ thông rôto

Thành phần q của tham chiếu từ thông λ qr¿ bằng 0 để từ thông của rôto được địnhhướng dọc theo trục d của trục quay hệ quy chiếu dq và thành phần d của tham chiếu

từ thông λ dr¿ được cho bởi bộ điều chỉnh điện áp Từ những sai số giữa các tham chiếu

đó và các thành phần ước tính λ❑dr

và λ❑qr

, các thành phần của thu được điện áp rôto

mong muốn v❑dr

và v❑qr

Từ đó, điện áp tức thời của rôto v r ,abc sẽ được điều chế bởi RSCđược tìm thấy bằng cách sử dụng góc điều khiển θ và rôto vị trí θ r❑được đo bằng bộ mãhóa trục DFIG

Người điều khiển GSC điều khiển định hướng điện áp thông thường để duy trìđiện áp bus DC không đổi Vdc và hệ số công suất thống nhất ở đầu ra của bộ chuyểnđổi, dựa trên góc điện áp lướiθ❑PPL

thu được thông qua PLL [28]

Cuối cùng, Bảng 1 cung cấp một cái nhìn tổng quan về các bộ điều khiển và cáchchúng liên quan dựa trên đầu vào của chúng và tín hiệu đầu ra và cũng là nơi các sơ đồđiều khiển chi tiết của chúng có thể được tìm thấy thông qua bài báo

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY PHÁT CẢM ỨNG CẤP NGUỒN KÉP (DFIG)

Phương trình điện của máy điện cảm ứng trong một hệ quy chiếu quay với tốc độ

ωlà:

Trong đó: ⃗vs, ⃗λs và ⃗is là các vectơ không gian của điện áp stator, từ thông và dòngđiện tương ứng và Rs là cuộn dây stator điện trở mỗi pha; ⃗vr, ⃗λr và ⃗ir là các vectơ không

gian của điện áp rôto, từ thông và dòng điện và Rr tương ứng là điện trở của rôto và ω❑r

là tốc độ quay điện của rôto Lưu ý: trong Hình 1, tham chiếu cho ⃗is hiện tại là đi ra từcác cực stator và tham chiếu cho ⃗ir hiện tại đang đến các cực rôto

Bảng 1 Các đầu vào và đầu ra của khối DFIG

Biểu thức của vectơ không gian stator và rôto dưới dạng hàm của vectơ khônggian của dòng điện ⃗is và ⃗ir:

Trong đó: Ls là tổng điện cảm của stator, Lm là tổng của điện cảm từ hóa và Lσs làđiện cảm rò rỉ với (Ls = Lm + Lσs) Theo cách tương tự, tổng điện cảm của rôto là Lr =

Lm + Lσr Giải các biểu thức này cho các dòng điện như một chức năng của các từthông:

Nếu các biểu thức này được thay thế trong (1), phương trình động học của DFIGthu được coi là biến trạng thái vectơ không gian từ thông stator và rôto (⃗λs và ⃗λr) và

như đầu vào vectơ không gian điện áp stato và rôto (⃗vs, ⃗vr):

Trong đó: T s = L s / R s và T r = L r / R r lần lượt là hằng số thời gian của stator và rôto

và σ là hệ số rò rỉ với σ = 1 - (L m2 / (L s L r )) và s = (ɷ - ɷ r ) / ɷ.

A MÔMEN VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Mômen điện từ của máy phát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG) tỷ lệ với tích của

độ lớn của các vectơ từ thông λ❑s

, λ❑r

và sin của góc δ giữa cả hai vectơ [28]:

Với p là số cặp cực Mặt khác, công suất phản kháng có thể được biểu thị, theo[28] như sau:

Ở đây ω là tần số góc của stator Cụ thể là công suất phản kháng tỷ lệ với tíchcủa từ thông stator và sự khác biệt giữa hình chiếu của từ thông rôto trên từ thôngstator và từ thông stator.

B SƠ ĐỒ EFM VÀ VECTƠ NỘI BỘ

Khai triển số hạng cuối cùng của phương trình stator trong (1), bằng cách sửdụng phương trình đầu tiên của (2) và phương trình thứ hai của (3):

Sau đó, xác định lực điện động bên trong máy phát điện là:

Phương trình (7) có thể được viết dưới dạng:

Ở trạng thái ổn định d⃗λs / dt = 0 và phương trình cũ là:

Hoặc, theo một cách khác:

Ở đây Xs = ωLslà điện kháng của stator

Hình 2 Biểu đồ vectơ máy phát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG)

Hình 2 cho thấy sơ đồ vectơ máy phát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG), bỏ quađiện trở stator Lưu ý rằng điện trở của stator thường là nhỏ hơn 0,01pu Vectơ điện áp

của stato ⃗vs được coi là tham chiếu pha và dòng điện stator trễ một góc φ, chỉ ra rằngmáy hoạt động như một máy phát điện cung cấp công suất tác dụng và phản kháng lênlưới Bỏ qua stator điện trở, vectơ từ thông stator ⃗λs trễ hơn điện áp stato bằng một góc

90❑0và vectơ từ thông của rôto ⃗λr nhận được từ phương trình đầu tiên của (3) là:

dẫn từ thông stator một góc δ, đó là mômen góc và môđun của phép chiếu của nótrên ⃗λs là độ lớn cao hơn λ❑s, (Lm Lr λ r❑cos δ> λ❑s), chỉ ra rằng phản ứng quyền lực là tíchcực, theo (6) Cả hai điều kiện xác định rằng DFIG hoạt động như một máy phát điệnđưa vào công suất tác dụng và công suất phản kháng vào lưới Theo (8) lực điện động

⃗es dẫn 90 0 đến ⃗λr, và do đó góc giữa lực điện động (Electromotive Force_emf) và điện

áp stator bằng mômen góc δ

Xác định trục d thẳng hàng dọc theo ⃗λr và trục q dọc theo ⃗es, sự tương tự của máyphát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG) với máy phát điện đồng bộ (SynchronousGenerator_SG) được nêu rõ, trong đó dòng điện kích thích tạo ra từ thông rôto theotrục trực tiếp, tạo ra một lực điện động trong trục vuông góc (xem Hình 2)

Để tiếp tục với phép loại suy, các biểu thức cho công suất tác dụng và công suấtphản kháng được tạo ra tại stator máy phát cảm ứng cấp nguồn kép (DFIG) trong trạngthái ổn định sẽ thu được như sau

Nhân (5) với ω/ p được kết quả:

Trong đó: Pe là công suất khe hở không khí của máy phát cảm ứng cấp nguồn kép(DFIG)

Ở trạng thái ổn định, bỏ qua sự giảm điện áp Rs, λ❑s =v❑s /ω, và công suất airgapbằng công suất stator:

Theo cách tương tự, ở trạng thái ổn định (λ❑s =v❑s /ω), bỏ qua Rs, biểu thức (6) cóthể được viết dưới dạng:

Trong (14), công suất tác dụng của stator là dương nếu lực điện động vectơ dẫnvectơ hiệu điện thế Để tăng công suất stator, tham chiếu tốc độ ω phải tăng ngoài lướitốc độ góc ω❑s, tạo ra sự gia tăng của mômen xoắn góc δ Mặt khác, ở (15), công suấtphản kháng có thể được kiểm soát bằng cách sửa đổi độ lớn e s❑

Nếu phép chiếu củavectơ lực điện động lên ⃗vs cao hơn độ lớn so với v❑s

, công suất phản kháng là dương,

và điều này có thể tăng lên bằng cách tăng độ lớn lực điện động

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT CẢM ỨNG CẤP NGUỒN KÉP KẾT

NỐI LƯỚI (DFIG GRID-FORMING CONTROL)

Tiếp theo, điều khiển DFIG GFM được đề xuất dựa trên rôto định hướng từ

thông được trình bày Phần này được chia làm hai các phần phụ: a) vòng lặp đồng bộ hóa mômen xoắn và b) phía rôto điều khiển bộ biến đổi.

A VÒNG LẶP ĐỒNG BỘ HÓA MÔMEN XOẮN (TORQUE SYNCHRONIZATION LOOP_TSL)

Như thể hiện trong Hình 1, vòng lặp đồng bộ hóa cho phép có được góc điềukhiển θ, xác định vị trí của trục quay dq trên một hệ quy chiếu đứng yên, từ sự khácbiệt giữa mômen tham chiếu T e¿

Hình 3 Vòng lặp đồng bộ hóa mômen xoắn

Sơ đồ khối được hiển thị trong Hình 3 thể hiện cho việc thực hiện vòng lặp đồng

bộ hóa, nhưng nó không giải thích nguyên tắc đồng bộ hóa Với mục đích này, hệthống được tuyến tính xung quanh một điểm cân bằng

Hình 4 Sơ đồ khối TSL tuyến tính hóa

Biểu thức (5) cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa mômen xoắn Te và góc δ.Bằng cách tuyến tính hóa phương trình này, mối quan hệ tuyến tính sau đây giữamômen và góc là thu được:

Trong đó: Ks là mômen xoắn đồng bộ, được tính bằng đạo hàm riêng của Te đốivới δ tại điểm cân bằng như sau:

Phương trình này không bao gồm hệ số (3 / 2)p vì mômen Te được biểu thị bằngpu

Lấy các giá trị tham số của DFIG theo Phụ lục và giả sử rằng tại điểm cân bằng,

từ thông của stator và rôto gần bằng một, λs0 = λr0 = 1 pu, đồng bộ hóa hằng số bằng Ks

= 4,2 pu Giá trị này cao hơn nhiều so với SG, gần bằng một [29] Điều này có nghĩarằng trong DFIG, công suất được truyền với một góc mômen nhỏ hơn.

Xem xét sơ đồ khối của Hình 4 và sử dụng đồng bộ hóa mômen xoắn Ks, hàmtruyền giữa góc Δδ và mômen quy chiếu ΔT e¿

bằng:

Tương tự như phương trình dao động của SG

Sự lựa chọn của các tham số D và J là không dễ dàng Các hằng số giảm xóc Dảnh hưởng đến sự gia tăng mômen xoắn được tạo ra tăng tần số Là nghịch đảo của sựsụp đổ hằng số D = 1 / R, cho giá trị điển hình của R = 0,05 pu, hằng số tắt dần là D =

20 pu, chỉ ra rằng dưới mức tăng tần số stator là 0,05 pu (2,5 Hz trong lưới 50Hz),DFIG phải tăng mômen xoắn lên 1 pu

Trong Phụ lục đưa ra các giá trị của D và J được chọn để thu được hệ số tắt dầnbằng ξ = 0,707

B BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỔI PHÍA ROTOR

Mục tiêu của kiểm soát thông thường của bộ chuyển đổi phía Rotor (Rotor-SideConverter_RSC) là điều chỉnh mômen DFIG và công suất phản kháng stator thông qua

sự điều khiển của dòng điện rôto Đề án kiểm soát được đề xuất ở đây cũng điều chỉnhmômen xoắn DFIG và công suất phản kháng stator, nhưng thông qua việc kiểm soátgóc và độ lớn của từ thông rôto Theo cách này, DFIG hoạt động như một điện ápnguồn không giống như điều khiển thông thường Ngoài ra, một lợi thế quan trọng làtrong quá trình hoạt động cô lập cho khởi động đen, mômen xoắn do DFIG phát triểnđược xác định bởi tải được cung cấp, và do đó mômen xoắn phát triển bởi DFIG sẽkhông bằng với mômen tham chiếu Trong kiểm soát được đề xuất, lỗi này được điềuchỉnh thông qua mối quan hệ mômen xoắn tần số đi xuống của việc đồng bộ hóa vòng.Điều này cũng xảy ra với công suất phản kháng Công suất phản kháng do DFIG cungcấp phải bằng công suất phản kháng công suất do tải yêu cầu Với mục đích này, bộđiều khiển điện áp phản kháng sẽ đặt tham chiếu công suất phản kháng thành có đượccông suất phản kháng do tải yêu cầu

Một khi các tham chiếu cho vị trí góc và độ lớn của vectơ từ thông rôto đã đượcthiết lập, kiểm soát nội bộ vòng lặp sẽ thu được điện áp rôto phải được áp dụng bằngRSC đến rôto DFIG, để định hướng từ thông rôto vectơ đến góc tham chiếu thu đượcbằng cách đồng bộ hóa vòng lặp và điều chỉnh độ lớn từ thông của rôto để thu đượctham chiếu công suất phản kháng được thiết lập bởi điện áp phản kháng

Trong tọa độ dq, định hướng đạt được khi thành phần vuông góc từ thông rôto λqr

= 0 Khi đó, rôto độ lớn từ thông bằng λdr Ước tính phản hồi các biến được thực hiệnnhư bên dưới

Thông qua phép đo điện áp và dòng điện tức thời của stator ¿và [i] s ,abc, các thànhphần vectơ tương ứng αβ của vectơ không gian có thể thu được bằng cách áp dụngphép biến đổi quay sang abc / αβ Trong hệ quy chiếu đứng yên, các thành phần từthông stator λαs và λβs, được tính như:

Để tránh sự bù đắp do điều kiện ban đầu không xác định trong tích phân, tíchphân được xấp xỉ theo bậc đầu tiên bộ lọc có tần số cắt gần 1 Hz [30], [31] Đây tạo ralỗi ở tần số thấp, nhưng lỗi rất nhỏ để ước tính từ thông stator ở tần số lưới (50 Hz).Ước tính mômen xoắn Te được tính bằng tích của các thành phần của vectơ từ thôngstator và stator hiện tại [28] như:

Các thành phần của từ thông rôto trong hệ quy chiếu tĩnh được tính theo (12) nhưsau:

Vectơ từ thông rôto λ dr+¿❑j λ qr¿, trong hệ quy chiếu quay sau đó được tính bằng cách

áp dụng toán tử e− jθ❑ cho vectơ λ αr+¿❑j λ βr¿thu được biểu thức sau:

Trong đó: θ là góc trục tham chiếu Khi các thành phần của từ thông rôto trongtrục dq có được ước tính, việc kiểm soát diễn ra để duy trì rôto vectơ thông lượng đượcđịnh hướng dọc theo trục d của hệ quy chiếu quay Hình 5 cho thấy vị trí góc từ thôngcủa stator và rôto, hệ quy chiếu dq, quay với tốc độ góc là ω và góc mômen xoắn δ vàgóc điều khiển θ

Khi vectơ không gian từ thông của rôto ⃗λr được căn chỉnh dọc theo trục d, DFIG

đang hoạt động đồng bộ Để đạt được căn chỉnh, cần phải điều khiển ⃗λr thông qua điện

áp phía rôto ⃗vr.

Phương trình động lực học của ⃗λr được trình bày trong (1) có thể được viết như

sau: