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

Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG

HỢP LƯỚI KHÔNG ĐỐI XỨNG

TRẦN ĐỨC QUỲNH LÂM

TN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI KHÔNG ĐỐI XỨNG

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Học Viên : TRẦN ĐỨC QUỲNH LÂM

Người HD Khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN

THÁI NGUYÊN – 2011

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Trần Đức Quỳnh Lâm

Ngày tháng năm sinh : Ngày 31 tháng 03 năm 1982

TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA

MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI

KHÔNG ĐỐI XỨNG

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Ngày giao đề tài: / /

Ngày hoàn thành: / /

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Cao Xuân Tuyển

HỌC VIÊN

Trần Đức Quỳnh Lâm

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 (MDKDB) 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 MDKDB 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

số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp lưới

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 án 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 MDKDB, đó là

phương pháp điều khiển theo mô hình nội IMC Luận văn được chia thành:

Chương 1 Đặt vấn đề

Chương 2 Giới thiệu 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 là kết luận và một số đề xuất về hướng nghiên cứu tiếp theo của đề

tài Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, song bản luận án không

thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các

thầy cô giáo và các bạn quan tâm

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì:

- Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường

- Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, đòi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng

- Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn nữa

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore” Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW

1.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của

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 phí 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 động cơ không đồng bộ roto 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 đó 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

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 điện không đồng bộ roto dây quấn 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 roto dây quấn

Gearbox DFIG

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 Ngoài ra, hiện tượng mất điều khiển

và quá dòng lớn còn bị ảnh hưởng của hiện tượng mất đối xứng của hệ thống lưới điện Đây chính là những yếu tố làm mất tính ổn định làm việc của hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ khi làm việc với lưới điện

1.2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện KĐBRTDQ

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)

Wm

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

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

nđm

nmin

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,

“crowbar” 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

 Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL)

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

Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng, 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 đề tài là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp áp dụng chủ yếu 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 hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ, làm việc ổn định với lưới ( giả thiết lưới có công suất vô cùng lớn) yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát là:

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 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 máy phát 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 [27], 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 và công suất vô công 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 và tần số góc mạch rotor ở chế độ bình thường và lỗi lưới

Những yếu tố này được đề cập đến thông qua đại lượng nhiễu hệ thống là sức phản điện động Ngoài ra, tình trạng mất đối xứng điện áp của lưới điện cũng ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định của hệ thống phát điện sức gió với lưới điện

Để khắc phục tình trạng này, giải pháp điều khiển đưa ra ở đây là phân tích

hệ thống điện áp không đối xứng thành các thành phần đối xứng: thuận, ngược, thứ

tự không Với hệ thống lưới ba pha ba dây thành phần thứ tự không không tồn tại,

vì vậy ta chỉ cần thực hiện tách các thành phần đối xứng thứ tự thuận, ngược sau đó thiết kế bộ điều khiển để triệt tiêu thành phần thứ tự ngược

Kết luận chương 1:

Sau khi trình bày tính cấp thiết của đề tài; khái quát lại các loại tuốc bin gió;

ưu nhược điểm của từng loại, tác giả chọn đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ Với giải pháp điều khiển là lựa chọn phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp để nâng cao khả năng làm việc ổn định của hệ thống PĐSG với máy phát thông qua bù nhiễu, điều khiển giảm ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống, điều khiển để triệt tiêu thành phần thứ tự ngược

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

HS Hép sè

MP M¸y ph¸t

IE M¸y kh¾c v¹ch xung Läc

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

Hình 2.1 mô tả sơ đồ cấu trúc một 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 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 giống như cụm NLMP Cụm NLPL có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện

áp mạch 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 Mối liên hệ giữa các hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay

Trong trường hợp điện áp lưới không đối xứng, với hệ mạch chỉ có ba dây, ta phân tích thành hai thành phần, là thành phần đối xứng thứ tự thuận và thành phần đối xứng thứ tự ngược, thành phần thứ tự không không tồn tại Để điều khiển các thành phần này, ta sử dụng lý thuyết điều khiển vector, trong đó sử dụng hai hệ toạ

độ quay thuận dq+ quay với tốc độ góc s  2 f s( f slà tần số của lưới điện) và hệ toạ độ quay ngược dq-

quay với tốc độ góc s

Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một hệ toạ độ cố định có trục  trùng với trục cuộn dây pha u, một hệ toạ độ quay thuận dq+ có trục thực d+ trùng với véc tơ điện áp lưới thuận us+ (uN+), nghĩa

là hệ toạ độ d,q này quay với tốc độ s  2f s so với stator, và một hệ toạ độ quay ngược dq-

có trục thực d- trùng với vector điện áp lưới ngược us-, quay với tốc độ

s



 so với stator (hình 2.2) Các thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ

 là i s, i s ; trên hai trục toạ độ dq+ là i sd , i sq, và trên hai trục toạ độ dq- là

-isd

i , sq

-i

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:

2.3 Mô hình toán học phía máy phát

2.3.1 Mô hình trạng thái liên tục MĐKĐBRTDQ

2.3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ cho thành phần thứ tự thuận

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

Sau khi chuyển (2.6), (2.7), (2.8) 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:

s +

+

s+

r +

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 (2.6) có thể viết lại gần đúng như sau:

u

s s s

s

d dt

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 (2.9c,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 (2.9a,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

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:

0 1 0

B

1

0 1 0

m

m s

m

m

L

L L

Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ

Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ sau khi được tách ra như sau:

2.3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ cho thành phần thứ tự ngƣợc

Sau khi chuyển (2.6), (2.7), (2.8) 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

r r

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:

0 1 0

B

1

0 1 0

m

m s

m

m

L

L L

-Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ

Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ sau khi được tách ra như sau:

2.4 Mô hình toàn học phía lưới

2.4.1 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới cho thành phần thứ tự thuận

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:

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 thành phần thứ tự thuận

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)

iT RD LD

Hình 2.8 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới

Viết (2.34) dưới dạng thành phần trên hai trục tọa độ dq + THĐAL thành phần thứ tự thuận, ta có hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống phía lưới:

10

  là vector đầu vào

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, +

2.4.2 Mô hình trạng thái liên tục phía lưới cho thành phần thứ tự ngược

Trên hệ toạ độ quay ngược dq- quay với tốc độ s, mô hình liên tục phía lưới cho thành phần thứ tự ngược hoàn toàn tương tự như trên hệ toạ độ quay thuận cho thành phần thứ tự thuân, cụ thể là:

  là vector đầu vào

Kết luận chương 2 : Trong chương 2 này đã đưa ra được mô hình toán học

MĐKĐBRTDQ, mô hình toán học phía lưới, đồng thời đưa ra được cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển phía lưới, vai trò và tính phi tuyến mạnh của mô hình dòng MĐRTDQ trong trường hợp lỗi lưới làm cơ sở cho việc thiết kế bộ điều chỉnh dòng phía máy phát

Chương 3

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG

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

Cho đến nay, thực tế đều sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính [ 6] [34], [35], trong đó khâu điều chỉnh dòng được tổng hợp theo các phương pháp tuyến tính và đã giải quyết được những vấn đề sau: Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất tác dụng và công suất phản kháng 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; Vấn đề tốc độ máy phát thay đổi ở chế độ bình thường

Để thực hiện phân ly (tách kênh) các thành phần i rd (tạo công suất hữu công)

và i rq (tạo công suất vô công) của dòng rotor, trên cơ sở đó để thực hiện điều khiển phân ly công suất tác dụng máy phát và công suất vô công máy phát, các tài liệu [35], [36], [39] đã thực hiện bù thành phần liên kết ngang và

Về vấn đề ổn định đối với dao động của điện áp lưới, cho đến nay các biện pháp sau đã được thực hiện: bù trực tiếp điện áp lưới và bù thông qua sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor E (được ước lượng) và sử dụng “active resistance”

để làm tăng sự tắt dần của E

Giải pháp bù trực tiếp điện áp lưới được thực hiện bởi [6], [26], [39]

Về vấn đề bù điện áp stator (điện áp lưới) thông qua bù sức phản điện động

E cảm ứng trong mạch rotor và sử dụng “active resistance” để làm tăng sự tắt dần của E được thực hiện bởi [35]

Về vấn đề ổn định đối với dao động của từ thông, cho đến nay, các biện pháp sau đã được thực hiện: Bù trực tiếp từ thông; Bù từ thông stator thông qua bù sức

r rd i

 r rq i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phản điện động cảm ứng trong mạch rotor E và sử dụng “active resistance” để làm tăng sự tắt dần của E; Phản hồi đạo hàm từ thông stator

Giải pháp bù trực tiếp từ thông stator được thực hiện bởi [6], [26], [39]

Giải pháp bù từ thông stator thông qua bù E và sử dụng “active resistance”

để làm tăng sự tắt dần của E được thực hiện ở [35], tương tự như phương pháp bù điện áp stator thông qua E và sử dụng “active resistance” để làm tăng sự tắt dần của

Để nâng cao tính ổn định của hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ khi làm việc với lưới có công suất vô cùng lớn, trên cơ sở các phương pháp, giải pháp điều khiển đã áp dụng Trong luận văn này, tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển theo mô hình nội IMC để:

+ Thực hiện tách kênh P,Q

+ Bù nhiễu thông qua bù sức phản điện động

+ Giảm ảnh hưởng của nhiễu hệ thống thông qua sức phản điện động

+ Thực hiện tách các thành phần đối xứng và điều khiển để triệt tiêu thành phần thứ tự ngược

3.1.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát

Hình 3.1 Cấu trúc điều chỉnh máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ có sử dụng khâu điều chỉnh IMC và kể đến lưới không cân bằng

3.1.2 Tính toán giá trị đặt cho điều khiển phía máy phát

Theo (2.5), các vector dòng điện, điện áp, từ thông staor và rotor được phân tích thành các thành phần thứ tự thuận và ngược trong các hệ toạ độ quay thuận và ngược như sau:

sdq

+ rdq +

Trong đó: iˆsdq - là vector phức liên hợp của i sdq

Có thể viết lại (3.5) dưới dạng ma trận như sau:

0

3 3

Hiện nay về phương diện lý thuyết có nhiều phương pháp thiết kế phi tuyến, như phương pháp tuyến tính hoá chính xác, phương pháp tựa phẳng, điều khiển mờ,

mạng nơ ron Trong đề tài này áp dụng phương pháp điều khiển theo mô hình nội

IMC cho DFIG

Có rất nhiều trang trại phong năng sử dụng các tuốc bin gió dùng MĐKĐBRTDQ (DFIG); loại này cho một số ưu điểm so với các máy phát có tốc độ

cố định Bộ biến đổi của mạch kích từ (DFIG) bao gồm một bộ biến đổi nguồn áp

sử dụng các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn Bộ biến đổi ở phía máy phát đưa dòng kích từ với tần số thay đổi được vào trong dây quấn Roto thông qua vành trượt Điều này cho phép duy trì dòng stato bằng với tần số của lưới trong khi bộ biến đổi phía lưới được cung cấp điện áp một chiều ổn định cho bộ biến đổi

Để đạt được các mục tiêu này, đề xuất ra một sơ đồ điều khiển tổng thể dựa trên hệ thống DFIG Bao gồm phần điều khiển cho tuốc bin gió và phần điều khiển cho DFIG Trong thực tế giải pháp điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) đã được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên việc thiết lập các thông số cho bộ điều khiển PI vẫn là một vấn

đề đáng quan tâm

Bộ điều khiển theo mô hình nội là một giải pháp điều khiển quá trình được

đề xuất vào năm 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp [48] Sử dụng IMC để chế ngự các lỗi trong DFIG [49] Mô tả bộ điều khiển mô hình nội thích nghi mẫu - mô hình trực tiếp cho DFIG

Trong phần này giới thiệu phương pháp điều khiển cho cả hai bộ biến đổi cho DFIG Áp dụng cách thức điều khiển vòng kép dựa trên IMC Đối với (MVSC

- Bộ biến đổi nguồn áp phía máy phát) bộ biến đổi sử dụng vòng phân ly là vòng bên trong Đối với (GVSC - Bộ biến đổi phía lưới) điện áp một chiều và công suất phản kháng được điều khiển ở vòng ngoài Vòng trong vẫn dùng để điều khiển dòng điện Trình tự thiết kế chi tiết được mô tả và các kết quả mô phỏng được đưa

ra để khẳng định tính đúng đắn của giải pháp điều khiển

Cấu trúc kinh điển của IMC được trình bày trong hình Các hàm truyền

Gp(s), Gm(s), Gc(s), Gf(s) và Gw(s) biểu diễn cho đối tượng, mô hình, bộ biến đổi, mặch lọc và tính hiệu đặt đầu vào; w(s), y(s), e(s) lần lượt là các hàm đầu vào, đầu

ra và hàm nhiễu F(s) là hàm điều khiển của IMC Gỉa thiết Gw(s) = 1 khi đó theo hình 3 2 ta có:

Theo như thuộc tính của IMC, BĐK lý tưởng Gc(s) = G-1p(s) có thể thu được dưới điều khiển là đối tượng dịch và mô hình chính xác Do vậy điều khiển tiên quyết là mô hình chính xác Để giữ cho bộ điều khiển Gc(s) là ổn định thì Gc(s) có thể được định nghĩa như sau

Trong đó n được chọn bởi mô hình của hàm truyền nhằm đảm bảo cho tính

ổn định của Gc(s) Giả thiết rằng e(s) = 0 thì Gf(s) = 1, hàm truyền vòng kín Gcl(s) là:

( ) ( )( )

( )

( )

i p m

Do đó đầu vào nhiễu sẽ gây ra một tác động lên đáp ứng của hệ thống Lý do

là vì phản hồi âm trạng thái được đưa vào ở đây nhằm hạn chế ảnh hưởng của nhiễu

và cải thiện độ bền vững của hệ thống điều khiển Giả thiết rằng Gf(s) =1 và Gw(s)

=1, mô hình IMC nâng cấp được thể hiện như hình (3)

Hình 3.3 Bộ điều khiển nâng cấp dựa trên nguyên tắc IMC

Khi: , nếu Gp(s) và Gm(s) có thể tương thích theo cũng phải tương thích Nếu phương trình (3.4) có thể rút ra (3.9) Điều này muốn nói là bộ điều khiển nâng cấp sẽ không ảnh hưởng đến đặc tính của đáp ứng giữa hàm truyền đầu vào đặt và hệ thống Ngoài ra

( )

( )( )

i p m

1 ( )

m m

1 ( )

p p