điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng

Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin.. Vì v

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học viên : Đặng Thị Loan Phượng

Người HD Khoa Học: TS Cao Xuân Tuyển

THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc -o0o -

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ngày hoàn thành đề tài : 10/2011

TS Cao Xuân Tuyển

Đặng Thị Loan Phượng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả

trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2011

Tác giả luận văn

Đặng Thị Loan Phượng

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng Hành chính Tài vụ, Trung tâm thí nghiệm đã tạo những điều kiện để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Tự động hóa - khoa Điện,

Bộ môn Đo lường & điều khiển tự động – khoa Điện tử, Các thầy cô phòng thí nghiệm Điện – Điện tử, đã giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt

để tôi hoàn thành khóa học

Tác giả luận văn

Đặng Thị Loan Phượng

Mục Lục

Mục lục ……….……… 1

Lời giới thiệu 3

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 5 1.1 Khái quát và lựa chọn đối tượng 8

1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tượng 8

1.3 Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát như sau 10 Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 12 2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ 12 2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới 13

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha 13

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát 15

2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát

22 2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới 24

2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới 28

2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới 29

Chương 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG

32 3.1 Khái quát các phương pháp đã áp dụng và lựa chọn phương pháp điều khiển

32 3.2 Phương pháp điều khiển nội DFIG 32

3.3 Bộ điều khiển theo mô hình nội 33

3.4 Áp dụng mô hình nội để điều khiển phía máy phát 37

3.4.1 Phương thức điều khiển cho MVFC 37

3.4.1.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong 37

3.4.1.2 Điều khiển vòng ngoài 41

3.5 Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng phía lưới 42

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 46

4.1 Hệ thống mô phỏng 46

4.2 Kết quả mô phỏng 46

4.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ bình thường 46

4.2.1.1 Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm

46 4.2.1.2 Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ 10% (n=1650v/ph),Công suất vô công Q có bước nhảy từ 0 lên 700 Var sau đó xuống 400Var;M=-10Nm về _3Nm về _10Nm

48 4.2.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ lỗi lưới ngắn mạch ba pha đỗi xứng 51 4.2.2.1 Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ dưới đồng bộ 10% (n=1350v/ph) Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var

51 4.2.2.2 Chất lượng của hệ thống điều chỉnh ở tốc độ trên đồng bộ 10% (n=1650v/ph) Mô men từ 0 Nm về -10 Nm,sau đó về 0Nm cuối cùng về-10Nm Q nhảy từ 0 lên 500 Var, từ 500Var lên 1000 Var sau đó về 0 Var

54 4.3 Kết luận 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 57

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 65

LỜI GIỚI THIỆU

Xã hội loài người muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu được đó là phải duy trì nguồn năng lượng để nuôi sống xã hội đó Trong đó điện năng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Hiện nay các nguồn điện năng chính là dầu khí, than đá hoặc đang có nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác Trong khi đó điện hạt nhân tuy đã phát triển mạnh nhưng vẫn chứa mối nguy hiểm

to lớn tiềm tàng không an toàn Vì vậy các nguồn năng lượng sạch khác như gió, mặt trời, thủy triều đang được nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tương lai tươi sáng hơn, được áp dụng rộng rãi hơn Với những nước như Việt Nam, có nhiều địa hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới hoặc

có nhưng rất hạn chế Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lượng gió Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần được chúng ta quan tâm phát triển

Máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ) được ứng dụng ngày càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến trên 7 MW và có những ưu điểm nổi bật:

 Khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lượng qua máy phát bằng biến tần có công suất thấp hơn máy phát nhiều bằng tác động lên vành góp rotor, giúp hạ đáng kể giá thành toàn hệ

 MDKDB có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng (tới ±30%), cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió

Tuy vậy để phát được chất lượng tốt, cần phải có một phương pháp điều chỉnh thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng điện Điều này trở nên khá phức tạp bởi vì ngoài các ưu điểm kể trên MĐKĐBRTDQ có những

khó khăn cơ bản là hai thành phần dòng i rd , i rq có nhiệm vụ điều khiển công suất hữu công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau Trước đây người ta giải quyết vấn đề bằng việc coi tần số mạch rotor bằng hằng số trong một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các thành phần dòng Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần

điện gặp sự cố dẫn tới sập lưới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor, của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lưới Những đặc điểm kể trên đã làm cho phương pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực Bản luận văn này giới thiệu một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MĐKĐBRTDQ,

đó là phương pháp điều khiển mô hình nội Đây là phương pháp chưa được áp dụng cho đối tượng MĐKĐBRTDQ Với phương pháp này, thông qua bộ điều khiển phản hồi trạng thái, hệ thống trở thành ổn định tiệm cận toàn cục trong toàn bộ không gian trạng thái Luận văn được chia thành:

Chương 1 Đặt vấn đề, lựa chọn đối tượng điều khiển

Chương 2 Mô hình toán học đối tượng điều khiển

Chương 3 Phân tích lựa chọn phương án điều khiển đối tượng

Chương 4 Mô phỏng và kết luận

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp ĐH Thái Nguyên

Đặc biệt là thầy giáo TS Cao Xuân Tuyển đã hướng dẫn em tận tình trong quá

trình làm luận văn Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bản luận văn không tránh khỏi những điểm sai xót hạn chế.Kính mong quý thầy cô cùng các bạn góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, ngày 2 tháng 9 năm 2011

Người thực hiện

Đặng Thị Loan Phượng

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ, LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

1.1 Khái quát và lựa chọn đối tượng

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc

độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi

Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Softstarter

Transformer

Capacitor bank

Hình 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có

bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MĐKĐBRTDQ)

Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn

Transformer Power electronic

có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu hướng sử dụng máy dị bộ nguồn kép làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi được nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thường chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm như bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn

hệ thống Do đó đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ rô to dây quấn

Transformer

Power electronic converter

≈

=

Hình 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ

Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ

là vấn đề lỗi lưới Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến đổi

1.2 Cấu trúc và điều khiển đối tượng

Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MĐKĐBRTDQ được sử dụng: hệ thống sử dụng crowbar (hình 1.4) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.5)

Grid

P g , Q g Stator breaker

Lever II (Wind turbine control strategy)

Crowbar

Crowbar control

W m

Vw

T em * V bus * Q s * Q f *

β*

Hình 1.4 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng crowbar

Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch

a) Điều khiển tuốc bin

Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình 1.6):

- Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy phát được giữ ở tốc độ thấp, dưới đồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực đại nhận được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió

Lever II (Wind turbine control strategy)

Stator switch control

Hình 1.5 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng stator switch

- Khi tốc độ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy phát được duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc độ đồng bộ 30 %) và nhỏ hơn hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ máy phát khi đó được duy trì ở giá trị định mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức (12m/s), tốc độ máy phát được giữ

ở giá trị định mức 1950 v/ph, công suất đặt của máy phát bằng công suất định mức của nó, nghĩa là công suất lấy từ gió được giữ bằng công suất định mức thông qua việc điều chỉnh góc của cánh gió

- Khi tốc độ gió quá thấp, năng lượng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao (trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới

25 50

n đm

n min

Hình 1.6 Các đường cong sử dụng trong chiến lược điều khiển tuốc bin

b) Điều khiển crowbar hoặc stator switch

Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất đối với hiện tượng quá dòng lớn khi xảy

ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới)

Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ được kích hoạt, làm ngắn mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát bị mất điều khiển Khi biên độ dòng quá độ đã giảm dưới mức an toàn, “crow bar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể điều khiển được máy phát

Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để điều khiển tái hoà đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dòng quá độ giảm dưới mức an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lưới được khôi phục trở lại

c) Điều khiển vector

Bao gồm hai điều khiển thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và điều khiển nghịch lưu phía lưới

Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát (NLMP), và điều khiển hướng, trị số công suất vô công lên lưới

 Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP)

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng (thông qua mô men),

và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector

Với mục đích của luận án là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MDKDB thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu cầu của điều khiển NLMP

1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát

Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió sử dụng

MĐKĐBRTDQ nối lưới, công suất vô công lớn yêu cầu bộ điều khiển phía máy phát như sau:

Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng (thông qua mô men) và công suất phản kháng lên lưới

Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dòng ngắn mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi điện áp, đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới (vì mức điện áp lưới lúc này đã được nâng lên)

Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn) với bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lưới Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) , và nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra được thì sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ

bộ biến đổi thông qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch Máy phát bị mất điều khiển hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện được nhiệm vụ đặt

ra khi lỗi lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới điện kiểu “wind farm”

Theo [7], các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor bao gồm: Mức độ dao động của điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động của từ thông stator quá độ, mức độ dao động này phụ thuộc vào mức độ dao động điện áp lưới và mức độ sụt điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động, thay đổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới

Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp phải (mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn), để nâng cao được chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát

là phải khống chế được độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới được loại bỏ, để tránh hiện tượng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối đa sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch

Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp quá độ cảm ứng trong mạch rotor, để nâng cao được chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể được đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát như sau:

- Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công (thông qua mô men) và công suất vô công (thông qua hệ số công suất cos) phát lên lưới thông qua MĐKĐBRTDQ

- Ổn định đối với dao động của điện áp lưới

- Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lưới

- Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát ở chế độ bình thường và lỗi lưới

Ba yếu tố này được đề cập đếm trong bộ điều khiển phía máy phát dưới dạng nhiễu sức phản điện động Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp, để bù sức phản điện động, giảm ảnh hưởng của nhiễu sức giảm điện động

U DC BiÕn thÕ

IE

HS

NLMP NghÞch l-u phÝa m¸y ph¸t

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ

Hệ thống trên bao gồm một MĐKĐBRTDQ có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện ba pha 1 Cuộn dây phía rotor được nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều Hệ thống biến tần bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một chiều trung gian Cụm NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công suất hữu công và công suất vô công thông qua hai đại lượng m G (mômen của máy phát) và công suất vô công Q đồng thời đảm nhận việc hòa đồng bộ với lưới cũng như điều chỉnh tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết Cụm NLPL trên thực tế không chỉ

có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới về, cụm

còn có khả năng thực hiện nhiệm vụ hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại lưới Vì vậy, về cấu trúc mạch điện tử công suất, cụm NLPL hoàn toàn

một chiều trung gian u DC sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua rotor, đồng thời điều chỉnh cos phía lưới và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất vô công Các van bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL được điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG)

2.2 Mô hình toán học phía máy phát và phía lưới

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha

Theo lý thuyết điều khiển vector, trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang ) của máy điện, vector không gian dòng điện stator của MĐKĐBRTDQ được định nghĩa như sau:

Trong đó i su, i sv, i sw là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau

1200 điện chạy trong ba pha dây quấn stator u, v, w

Như vậy i t s( ) là véc tơ không gian quay với tốc độ góc s  2 f s so với stator, với

s

f là tần số mạch stator

Đối với các đại lượng khác của mạch stator, như điện áp stator, từ thông stator ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng tương tự như đối với dòng điện stator kể trên

Với MĐKĐBRTDQ, trên rotor cũng có cuộn dây ba pha r, s, t trong đó chảy ba

dòng điện i rr, i rs, i rt tần số góc r, vector không gian dòn điện rotor cũng được định nghĩa như sau:

hệ toạ độ cố định có trục  trùng với trục cuộn dây pha u, và một hệ toạ độ quay

d,q có trục thực d trùng với véc tơ điện áp lưới u s (u N), nghĩa là hệ toạ độ d,q này quay với tốc độ s  2 f s so với stator (hình 2.2) Các thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ  là i s, i s và trên hai trục toạ độ d,q là i sd, i sq, ta có mối liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng điện pha stator như sau:

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát

Mô hình trạng thái liên tục phía máy phát, thực chất là mô hình trạng thái liên tục đối tượng MĐKĐBRTDQ Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor

Phương trình điện áp stator:

s s s s s

Sau khi chuyển (2.7), (2.8), (2.9) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ

quay với vận tốc góc s so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:

f s f

s

f r f

Chỉ số phía trên bên phải “f” để chỉ hệ tọa độ quay dq Vì ta điều khiển

MĐKĐBRTDQ trên cơ sở phương pháp tựa theo điện áp lưới (tức là trên hệ tọa độ

quay dq) nên từ nay về sau, để cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ước

các đại lượng trên hệ tọa độ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa

Do stator của MĐKĐBRTDQ được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator chính là tần số lưới, điện áp rơi trên điện trở R s có thể bỏ qua được so với tổng điện

áp rơi trên hỗ cảm stator L m và điện cảm tản Ls Phương trình (2.7) có thể viết lại gần đúng như sau:

s s s s

d u dt



 hoặc u s  j s s (2.13) Phương trình (2.13) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator một góc chừng 900, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa

Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MĐKĐBRTDQ Vì vậy ta

sẽ tìm cách thông qua 2 phương trình từ thông (2.11c,d) khử dòng stator i s và từ thông rotor r, giữ lại dòng rotor i r và từ thông stator s rồi thay vào 2 phương trình (2.11a,b) và biến đổi ta có:

Ở trên đã nhận xét: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện

áp stator Trong tương quan cố định đó, việc hướng của vector nào được chọn làm hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa Nếu tựa:

 theo hướng từ thông stator ta có: u sd 0,sq 0

 theo hướng điện áp stator ta có: u sq 0,sd 0

Hệ phương trình (2.15) cũng có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái như sau:

u  u u  là vector biến vào phía rotor

Ma trận hệ thống A, ma trận vào phía stator Bs, và ma trận vào phía rotor Br có công thức như sau:

1

0 1 0

m

m s

1 0 B

Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ

Các ma trận của mô hình (2.33) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận con như sau:

BBB

s s s

r r

  

  (2.18a,b,c)

Trong đó:

s

s

T T

10

m s

10

m s

m

L L

10

i i i

 

  

 ;

rd r rq

u u u

  

 ;

sd s sq

u u u

  

 ;

/ / /

sd s

/ s

d ψ dt

r

r

2Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ thể hiện bằng ma trận con

A 11

ur

didt

ri

i ai b e cu du dt

rd r rq

i i i

 

  

 ;

rd r rq

u u u

  

 ;

sd s sq

u u u

  

 ;

/ / /

sd s

0

c c

  là ma trận đầu vào;

0 1N

Hình 2.6 Đặc điểm phi tuyến của mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ trên hệ

tọa độ dq

Mô hình trạng thái (2.22) và hình 2.6 thể hiện rất rõ tính phi tuyến của MĐKĐBRTDQ Như chúng ta đã biết, đối tượng MDKDB có điện áp rotor là một đại lượng vector đặc trưng bởi module u r , góc pha ban đầu 0 và vận tốc góc r

(tần số f r) Có thể tạm thời bỏ qua không xét tới góc pha 0 Trên hệ tọa độ dq tựa

hướng điện áp lưới, các thành phần u rd, u rq là hai đại lượng một chiều, không chứa

r

 Như vậy đầu vào của mô hình dòng rotor, là vector điện áp rotor, ngoài hai thành phần u rd, u rq thể hiện module u r còn phải có r Do đó r là đại lượng vào thứ 3 Qua đó ta thấy mô hình trạng thái (2.22) có chứa tích của vector trạng thái

r

i với biến đầu vào r thông qua ma trận N Do vậy N được gọi là ma trận tương tác

phi tuyến Hơn nữa trong điều kiện lỗi lưới, có sự dao động thay đổi của từ thông stator, điện áp stator (điện áp lưới), tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor càng làm bộc lộ tính phi tuyến mạnh của mô hình dòng rotor MDKDB

2.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và vô công phía máy phát

Với MDKDB, độ lớn của mô men điện m G do máy sinh ra đặc trưng cho độ lớn của công suất hữu công (phát ra ở chế độ máy phát và lấy từ lưới vào ở chế độ động cơ) Việc điều chỉnh công suất hữu công phải tiến hành độc lập với công suất vô

công Q đã đặt trước cho thiết bị Để giải quyết, ta phải tìm các đại lượng có thể điều

chỉnh trực tiếp ảnh hưởng tới m G và công suất vô công Q để tìm cách áp đặt giá trị

mong muốn

Các công thức (2.9) và (2.10) cho phép ta tính mômen điện của MĐKĐBRTDQ

Vì máy chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên một công thức tính có chứa dòng rotor sẽ là hữu ích Từ (2.9), (2.10) ta rút ra công thức sau cho mômen:

Theo [29], ta có công suất biểu kiến của máy phát:

*

3 s s 3( sd sd sq sq) 3( sq sd sd sq)

S P jQ u i  u i u i  j u i u i (2.25) Trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, u sq 0, do đó (2.25) trở thành:

S P jQ3u i sd sd  j u i3 sd sq (2.26)

Từ (2.26), ta có: P 3u i sd sd ; (2.27) Q 3u i sd sq (2.28)

Ta đã biết rằng s gần như không đổi và chỉ phụ thuộc điện áp lưới Trên tinh thần nhận xét đó, ta viết lại hệ phương trình (2.9) như sau, trong đó các phương trình trong hệ được viết dưới dạng thành phần trên hệ tọa độ THĐAL:

i i L

   (2.32)

Từ (2.32) ta rút ra nhận xét: dòng i rq chính là đại lượng tạo công suất vô công Q

Như vậy, nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng i rq, đầu ra của

khâu điều chỉnh công suất vô công Q có thể được sử dụng để cung cấp giá trị chủ

ψ



r

i

Hình 2.7 Đồ thị vector dòng, áp, từ thông của MĐKĐBRTDQ

2.2.4 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới

Hình 2.8 mô tả sơ đồ nguyên lý phía lưới điện sau khi đã tách ra từ mô hình tổng thể toàn hệ thống:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phía lưới

Mạch điện phía lưới bao gồm 1 bộ biến đổi, khâu lọc RC lọc xung điện áp bị băm, cuộn cảm lọc dòng, máy biến thế và máy đóng ngắt Khi máy phát hoạt động

ở chế độ trên đồng bộ, bộ biến đổi đóng vai trò khâu NL, chuyển năng lượng từ mạch một chiều trung gian lên lưới Khi máy phát hoạt động ở chế độ dưới đồng

bộ, bộ biến đổi đóng vai trò khâu CL, chuyển năng lượng từ lưới sang mạch một chiều trung gian

Để phân tích tìm ra các biến điều khiển phía lưới, trước hết ta bước vào xây dựng và phân tích mô hình toán học của hệ thống phía lưới điện trên hệ tọa độ THĐAL

Hình 2.9 mô tả sơ đồ tổng quát mạch điện phía lưới Cuộn cảm lọc dòng có cảm

kháng L D , điện trở cuộn dây là R D , khâu lọc RC bao gồm điện trở R F và tụ điện có

điện dung C F Hình 2.10 là sơ đồ thay thế trong đó điện áp lưới được thay bởi nguồn

áp e N cùng với điện cảm của lưới L N Biến áp được thay thế tương đương (gần

đúng) bởi điện cảm tiêu tán L ơT Dễ dàng nhận thấy rằng tổng điện áp rơi trên biến

áp và điện cảm lưới rất nhỏ so với điện áp rơi trên khâu lọc RC nên ta có thể bỏ qua

chúng và thu được sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới (hình 2.11)

3~

L-íi

®iÖn 3~

UDC3~

Hình 2.11 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới

Viết (2.34) dưới dạng thành phần trên hai trục tọa độ dq THĐAL ta có hệ

phương trình trạng thái mô tả hệ thống phía lưới:

N D

T T

10

D

D

L L

Qua mô hình trạng thái hệ thống phía lưới, ta thấy, đại lượng điều khiển là điện

áp ra của khâu CL và vector trạng thái là hai thành phần dòng điện i Nd,i Nq Vì vậy, khâu điều chỉnh vòng trong sẽ là khâu điều chỉnh dòng

Trong mô hình này, e N là đại lượng nhiễu đầu vào gây ra bởi điện áp lưới Tuy nhiên ta có thể nhận thấy rằng, đại lượng nhiễu này là nhiễu cố định Vì vậy nó có thể được triệt tiêu ảnh hưởng nhờ khâu bù nhiễu tích hợp trong khâu điều chỉnh dòng

2.2.5 Mô hình gián đoạn phía lưới

Từ mô hình trạng thái liên tục thu được ở mục trên ta có nhận xét:

B là ma trận hằng, tần số góc của lưới N hầu như là cố định nên ma trận A sẽ

thỏa mãn giả thiết là hằng trong một chu kỳ trích mẫu T Khi đó ta có thể tìm được

Sau khi khai triển (2.39a,b) thành chuỗi và cắt đuôi sau phần tử tuyến tính ta thu được mô hình dòng gián đoạn phía lưới như sau:

i k  i k  u k  e k (2.40) với:

1Φ

1

N D N

N

D

T

T T

T T

0

D N

D

T L T L

2.2.6 Các biến điều khiển phía lưới

Như chúng ta đã biết, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển phía lưới là lấy năng lượng từ lưới để cung cấp cho mạch một chiều ở chế độ dưới đồng bộ hoặc hoàn năng lượng từ mạch một chiều lên lưới ở chế độ trên đồng bộ Trong cả hai quá trình

đó, điện áp một chiều trung gian u DC phải được giữ ổn định không đổi

Hình 2.13 Biểu diễn véc tơ không gian dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq

Quan sát dòng i N ở đầu ra phía lưới của CL trên hệ tọa độ THĐAL, ta có:

i i  ji (2.43)

S P  jQ  u i  u i u i  j u i u i (2.44) Trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, u Nq 0, do đó (2.44) trở thành:

Tính Q

N

j e

3 2

i

* Nq

i

 N

i

Kh©u §CD Kh©u §CUDC

3 2

3 2

 j r

e

N j

e

PLL

MPNL

i

* rq

u  u

Kh©u §CD

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát và phía lưới hệ thống PĐSG sử dụng