Tóm tắt: Bài báo đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới cho hệ thống điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép làm máy phát đồng trục trong trạm phát điện Tàu thủy. Trong bài báo, các tác giả sử dụng một máy điện dị bộ rotor dây quấn có cấu tạo tương tự như máy phát dị bộ nguồn kép nhưng công suất nhỏ để tạo ra tín hiệu đồng dạng trong rotor. Các tín hiệu đồng dạng cảm ứng được tạo ra làm cơ sở để xây dựng phương thức điều khiển với các dòng điều khiển trong rotor máy phát hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu điều khiển. Với đề xuất này, nhóm tác giả đã xây dựng được một mô hình đối tượng có kết cấu đơn giản, dễ thực hiện điều khiển do các thành phần công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát cung cấp cho lưới điện sẽ phụ thuộc riêng rẽ thông qua hai hệ số K p và K q. Ngoài ra, do vector từ thông của máy phát được tạo ra bởi các dòng điện liên tục nên dạng điện áp ra của máy phát là tín hiệu liên tục và sin chuẩn. Abstract: This paper proposes a novel technique for the control system of the shaft generator using doublyfed induction machine on powerstation on shipboards. Another doublyfed machine which is similar to the machine working in the generator but has a smaller capacity is used to create the similarizing sinewaves in the rotor of the generator, which are similar to the control signals. Based on this method, a simple buteffective controller is designed, which ensures to decouple the active and reactive power supplied to the grid by using two separate parameters Kp and K q. Moreover, since the magnetic flux vector of the generator is generated by continuous currents, the output voltages are in continuous sinewave form.
Trang 1Đề xuất phương pháp kích từ cho máy phát đồng trục sử dụng
máy điện dị bộ nguồn kép trong trạm phát điện tàu thủy
A novel excitation method for shaft generators using
doubly-fed induction machines on power –station on shipboards
Th.S Nguyễn Trọng Thắng
Đại học Dân lập Hải Phòng, e-Mail:nguyentrongthanghpu@yahoo.com
PGS,TS Nguyễn Tiến Ban
Đại học Hải Phòng, e-Mail:bannguyentien@gmail.com
Tóm tắt:
Bài báo đề xuất một phương pháp kỹ thuật mới cho hệ thống điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép làm máy phát đồng trục trong trạm phát điện Tàu thủy Trong bài báo, các tác giả sử dụng một máy điện dị bộ rotor dây quấn có cấu tạo tương tự như máy phát dị bộ nguồn kép nhưng công suất nhỏ để tạo ra tín hiệu đồng dạng trong rotor Các tín hiệu đồng dạng cảm ứng được tạo ra làm cơ sở để xây dựng phương thức điều khiển với các dòng điều khiển trong rotor máy phát hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu điều khiển Với đề xuất này, nhóm tác giả đã xây dựng được một mô hình đối tượng có kết cấu đơn giản, dễ thực hiện điều khiển do các thành phần công suất tác dụng P và phản kháng Q của máy phát cung cấp cho lưới điện sẽ phụ thuộc riêng rẽ thông qua hai hệ số Kp và Kq Ngoài ra, do vector từ thông của máy phát được tạo ra bởi các dòng điện liên tục nên dạng điện áp ra của máy phát là tín hiệu liên tục và sin chuẩn
Abstract:
This paper proposes a novel technique for the control system of the shaft generator using doubly-fed induction machine on power-station on shipboards Another doubly-fed machine which is similar to the machine working in the generator but has a smaller capacity is used to create the similarizing sine-waves in the rotor of the generator, which are similar to the control signals Based on this method, a simple but effective controller is designed, which ensures to decouple the active and reactive power supplied to the grid by using two separate parameters Kp and Kq Moreover, since the magnetic flux vector of the generator is generated by
continuous currents, the output voltages are in continuous sine-wave form
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
f
r
f
u , V Véc tơ điện áp stato, điện áp
rotor thuộc hệ tọa độ dq
f
r
f
s i
i , A Véc tơ dòng điện stato, dòng
điện rotor thuộc hệ tọa độ dq
f
r
f
s
, Wb Véc tơ từ thông stator, rotor
thuộc hệ tọa độ dq
r
s
r
r i
i , V Véc tơ dòng điện rotor, stato
thuộc hệ tọa độ rotor
s
s
u V Véc tơ điện áp stato thuộc hệ
tọa độ stato
s
s
Wb Véc tơ từ thông stato thuộc hệ
tọa độ stato
r
r
u V Véc tơ điện áp rotor thuộc hệ
tọa độ rotor ,
R R Ω Điện trở stato, điện trở rotor
,
s r
L L H Điện cảm stator, rotor
m
L H Hỗ cảm giữa statovà rotor ,
rad/s Tốc độ góc mạch điện stator,
rotor
rad/s Tốc độ góc quay của rotor
Q VAR Công suất phản kháng
sq
sd i
i , A Các thành phần của vector
dòng stator trên hệ toạ độ dq
rq
rd i
i , A Các thành phần của vector
dòng rotor trên hệ toạ độ dq
Chữ viết tắt
DFIG Máy điện dị bộ rotor dây quấn làm việc
trong chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía
Mở đầu
Trang 2Ngày nay, trên tầu thủy trạm phát điện luôn hướng
tới khả năng khai thác tối ưu trong hành trình trên
biển để giảm tiêu hao năng lượng, giảm thời gian
khai thác vận hành và giảm thiểu tiếng ồn, giảm ô
nhiễm môi trường, tránh tác động xấu tới con
người cũng như thiên nhiên Vì vậy, với các tàu
trọng tải lớn, trạm phát thường được thiết kế có
các máy phát đồng trục cùng làm việc với các cụm
diesel – generator (DG) Hệ thống máy phát đồng
trục (SG – Shaft Generator) đã có rất nhiều
phương án kĩ thuật thoả mãn các yêu cầu vận
hành, khai thác [1] Tuy nhiên khi tốc độ máy
chính (ME) thay đổi theo tình huống trên biển thì
khả năng mất đồng bộ giữa máy phát đồng trục và
lưới điện là rất lớn, để giải quyết vấn đề này ta sử
dụng máy điện dị bộ rotor dây quấn làm việc trong
chế độ máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG:
Doubly – Fed Induction Generator) DFIG làm
máy phát đồng trục có những ưu điểm rất nổi bật
là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện,
còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất
điều khiển được Chính vì thiết bị điều khiển cho
DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều
khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và
dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator
sang lưới Tuy nhiên, kỹ thuật khiển roto của
DFIG rất khó khăn, một số các công trình trong
nước [4][5] và trên thế giới đã giải quyết được vấn
đề này thông qua phương pháp kỹ thuật điều chế
véc tơ không gian cho mạch rotor [3] Sau đây
nhóm tác giả xin đề xuất một phương pháp kỹ
thuật mới là phương pháp dựa trên kỹ thuật đồng
dạng tín hiệu mạch cảm ứng rotor, sơ đồ cấu trúc
như sau:
H.1 Cấu trúc hệ thống phát điện dị bộ nguồn kép
bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu mạch cảm ứng
rotor
Hệ thống gồm:
Máy chính ME có trục được nối đồng trục với
máy điện 1 (MĐ1) và máy điện 2 (MĐ2)
Máy điện 1: là máy điện dị bộ nguồn kép công suất nhỏ có tác dụng tạo tín hiệu suất điện động cảm ứng đồng dạng ở rotor
Khâu đồng dạng và cách ly sức điện động rotor của máy điện 1: là mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán với trở kháng đầu vào vô cùng lớn
Khâu điều chế điện áp (dòng điện) rotor cho máy điện 2
Máy điện 2: là máy phát dị bộ nguồn kép có tác dụng phát ra điện áp hòa với lưới điện tầu thủy
Máy điện 1 và máy điện 2 được nối cứng trục với nhau sao cho các tọa độ góc của các cuộn dây rotor và stator trùng với nhau
1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Máy điện 1 có stato được nối trực tiếp với lưới điện tàu thủy, các cuộn dây stato của máy điện 1 kín mạch nên sẽ có dòng điện chạy qua, các dòng điện sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ ωs bằng với tốc độ góc của điện lưới
Rotor của máy điện 1 có trục được nối cứng với trục của máy chính đang quay với tốc độ ω, cuộn dây rotor của máy 1 hở mạch nên không có dòng điện chạy qua, sức điện động của rotor được sinh
ra hoàn toàn bởi từ thông của stator cảm ứng sang
Từ trường stator quay với tốc độ góc ωs, rotor quay với tốc độ góc ω nên từ trường stator quay so với các cuộn dây rotor vận tốc góc là ωr=ωs-ω, do vậy suất điện động cảm ứng ở các cuộn dây rotor máy điện 1 có tần số góc là ωr
Tín hiệu sức điện động sinh ra ở rotor của máy điện 1 được đưa tới khâu đồng dạng, khâu này có tác dụng tạo tín hiệu đầu ra đồng dạng với tín hiệu đầu vào nhưng cách ly với tín hiệu đầu vào đó, tức
là dòng tải của tín hiệu đầu ra sẽ không gây ảnh hưởng méo hay nhiễu cho tín hiệu đầu vào
Đầu ra của khâu đồng dạng đưa tới khâu điều chế dòng điện để cấp điện cho các cuộn dây rotor của máy điện 2, các thành phần dòng rotor này được tính toán và xây dựng trên cơ sở tín hiệu đồng dạng ở đầu ra của khâu cách ly nhưng pha và biên
độ sẽ được thay đổi và điều chỉnh để phù hợp với các yêu cầu của hệ thống phát điện
Vậy các thành phần dòng điện rotor của máy điện
2 cũng có tần số là ωr = ωs- ω, các dòng điện này sinh ra từ trường quay so với rotor vận tốc góc
ωr=ωs-ω
Vì trục của rotor máy điện 2 cũng được nối với trục của máy chính và cùng quay với vận tốc góc
ω, nên từ trường của rotor máy điện 2 quay so với các cuộn dây stator vận tốc góc là (ωs-ω)+ω=ωs
Trang 3Từ trường này sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng ở
phía stator của máy điện 2 với tốc độ góc ωs trùng
với tốc độ góc ωs của lưới điện
Vấn đề còn lại là biên độ và pha điện áp đầu ra của
máy điện 2 như thế nào? có trùng với lưới điện
không? nhóm tác giả sẽ làm rõ vấn đề này khi
phân tích và triển khai cụ thể mô hình toán các
khâu trong hệ thống
2 Xây dựng mô hình toán hệ thống
Vì trong hệ thống có 2 máy điện dị bộ nguồn kép
nên các đại lượng và thông số của các máy điện
được ký hiệu để phân biệt như sau:x Y , trong đó Y
là đại lượng, thông số, còn x là chỉ số máy điện Ví
dụ: 1R là điện trở của máy điện 1, 2L là điện cảm
của máy điện 2
Theo [3], phương trình mô tả máy điện dị bộ
nguồn kép trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, ứng
dụng cho máy điện 1 có hệ phương trình sau:
) , , , 1 (
) (
) (
1 1 1
1
1
1 1 1
1
1
1 1
1
1
1
1 1
1
1
1
d c b a
L i L
i
L i L
i
j dt
d i
R
u
j dt
d i
R
u
r f r m
f
s
f
r
m f r s
f
s
f
s
f r r
f r f
r
r
f
r
f s s
f s f
s
s
f
s
Vì rotor của máy điện 1 hở mạch nên f
r
i
1 = 0 thay vào phương trình (1c) và (1d) ta có từ thông của
stator và rotor như sau:
) , 2 (
1
1
1
1
1
1
b a L
i
L
i
m
f
s
f
r
s
f
s
f
s
Thay1i r f 0và các phương trình từ thông vào
phương trình (1a) và (1b), ta có phương trình điện
áp ở stator và rotor máy điện 1 như sau:
) , 3 (
) (
) (
1 1 1
1
1
1 1 1
1 1
1
1
b a i
L j dt
i
d
L
u
i L j dt
i d L i
R
u
f s m r
f s m
f
r
f s s s
f s s f
s
s
f
s
Tương tự tập hợp hệ phương trình mô tả máy điện
dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ quay tựa theo điện
áp lưới cho máy điện 2, có hệ phương trình sau:
) , , , 4 (
) (
) (
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
2 2
2 2 2
2 2
2 2 2
d c b a
L i L i
L i L i
j dt
d i R u
j dt
d i R u
r f r m f s f r
m f r s f s f s
f r r
f r f
r r f r
f s s
f s f
s s f s
Để có kết quả mô hình toán thuận lợi cho quá trình điều khiển sau này, cần phải xét hệ thống ở chế độ không tải và chế độ có tải của máy phát
2.1 Chế độ không tải của máy phát
Trường hợp máy điện 2 chưa có tải, tức là chưa có dòng điện bơm ra ở sator của máy phát hay
0
2
f s
i và dòng điện rôto lúc này là f
r f
r i
i 2 0
2
thay2i s f 0 và f
r f
r i
i 2 0
2
vào phương trình (4c) và
(4d) nhận được từ thông stator và rotor như sau:
) , 5 (
2 0 2 2
2 0 2 2
b a L
i
L i
r f r f r
m f r f s
Thay các giá trị từ thông này vào phương trình (4a) và (4b) ta có phương trình điện áp của stator
và rotor của máy điện 2 như sau:
) , 6 ( ) (
) (
0 2 2 0
2 2 0 2 2 2
0 2 2 0
2 2 2
b a i L j dt
i d L i R u
i L j dt
i d L u
f r r r
f r r f r r f r
f r m s
f r m f s
Điện áp ra rotor của máy điện 1 (ở phương trình 3b), qua khâu đồng dạng và cách ly tạo điện áp là
f cl
u như sau:
) 7 ( ) ) ( (
1 1
s m r
f s m cl f r cl f
dt
i d L K u K
Ở khâu điều chế điện áp rotor cho máy điện 2, bù thêm thành phần f
r
r i
R 2 0
2
. , vậy điện áp đưa vào rotor của máy điện 2 lúc này sẽ là:
) 8 ( )
) ( (
1 1 1
1 0 2 2
0 2 2 1 1
f s m r
f s m cl f r r
f r r f cl f r
i L j dt
i d L K i R
i R u u
So sánh với phương trình điện áp rotor của máy điện 2 ở phương trình (6b) ta có:
f r r r
f r r f r r
f s m r
f s m cl f r r
i L j dt
i d L i R
i L j dt
i d L K i R
0 2 2 0
2 2 0 2 2
1 1 1
1 0 2 2
) (
) ) ( (
s f
i 0 121
2
.
12 / ) (9)
s f
i 0 121
2
.
vào phương trình điện áp stator của máy phát (6a) nhận được:
Trang 4) 10 ( )
) (
1 2
12
s m s
f s m
f
dt
i d
L
K
Nghiên cứu lại phương trình (3a) là phương trình
điện áp stator của máy điện 1:
) 3 (
) (
1 1
1
1
1
a i
L j dt
i d L
i
R
f s s
f
s
s
f
Ta có nhận xét như sau:
f
s
u
1 chính điện áp của lưới điện
Máy điện 1 có rotor hở mạch nên không có từ
trường phần ứng, không có phản ứng phần ứng
và tất cả các đại lượng và thông số trong
phương trình (3a) đều là cố định nên độ lệch
s s s
f s s f
dt
i d L
1 1
1
) (
s s s
f s s f s s f
dt
i d L i R
1 1 1 1 1
) (
lưới là cố định
f s s s
f s s
f
dt
i d
L
1 1
1
) (
) ) (
1 2
12
s m s
f s m f
dt
i d L K
thấy u u f K L m L s const
sl f
12 1
2
/
s
u
2
trùng pha với thành phần f
sl
u
1
Tới đây ta có các kết quả quan trọng ở chế độ
không tải của máy phát như sau:
Điện áp đầu ra của máy phát luôn lệch pha so
với điện áp lưới một góc α=const và hoàn toàn
không phụ thuộc vào tốc độ lai của máy chính
Vì độ lệch pha với góc α là cố định nên để giải
quyết việc triệt tiêu góc lệch pha này ta chỉ cần
xoay lệch trục máy điện 1 và máy điện 2 một
góc α để bù lại sự lệch pha hoặc thậm chí
thành phần f
s
s i
R 1
1
quá nhỏ so với điện áp lưới nên ta có thể bỏ qua không cần hiệu chỉnh
Biên độ điện áp đầu ra của máy phát có thể
điều chỉnh hoàn toàn tuyến tính thông qua Kcl
Giả thiết để biên độ đầu ra của máy phát trùng
với biên độ điện áp lưới ta phải chỉnh giá trị
Kcl = K0 , cụ thể có thể tìm K0 từ hệ phương
trình
) , 11 ( /
1 / /
2 1 12
1 2 12 1
2
b a L
L K
K
L L K u
u
r m cl
s m f
sl
f
s
=>K0K12.2L r/1L m(1L s.2L r)/(1L m.2L m) (12)
Như vậy có thể kết luận: trong trường hợp máy
phát chưa có tải, để điện áp đầu ra của máy phát
trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số với lưới ta
thực hiện các khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh sau:
Giải quyết vấn đề trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lưới điện: ta thấy luôn được thỏa mãn (theo phần 1)
Giải quyết vấn đề về trùng pha giữa điện áp máy phát và điện áp lưới: ta xoay lệch trục không gian giữa máy điện 1 và máy điện 2 một góc α để bù lại phần lệch pha
Giải quyết vấn đề về trùng biên độ giữa điện áp máy phát với điện áp lưới ta thực hiện 2 khâu hiệu chỉnh:
Bù thành phần điện áp f
r
r i
R 2 0
2
của rotor máy điện 2 để có mối quan hệ điện áp stato giữa máy điện 1 và máy điện 2 là tuyến tính
Chỉnh hệ số khuếch đại ở khâu đồng dạng
và cách ly với hệ số khuếch đại
) /(
)
điện áp đầu ra của máy phát bằng biên độ của điện áp lưới
Thấy rằng, ba khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh trên đều là cố định Sau khi thiết kế các mạch hiệu chỉnh và điều chỉnh ở chế độ không tải, sẽ giữ nguyên cấu trúc các khâu đó trong các chế độ có tải sau này, gọi là các khâu hiệu chỉnh không tải Như vậy mô hình hệ thống ở chế độ không tải như hình 2:
H.2 Sơ đồ khối mô hình hệ thống khi không có tải
với mạch công suất nguồn áp
Từ mô hình trên thấy rằng có khâu tạo dòng f
r
i 0
2
, cần phân tích cấu tạo của khâu tạo dòng f
r
i 0
2 này
Vì rotor máy điện 1 hở mạch nên không có dòng chạy qua (hay1i r r=0)=> Phương trình điện áp roto của máy điện 1 trên tọa độ cuộn dây roto như sau [3]:
) 13 ( )
( ) (
1 1 1 1 1 1
dt
i d L dt
d i R u
r s m
r r r
r r r
Từ phương trình (9) 1 2 0 12
/ K
i
i r s r r
12 0 2 1
/ K
i
i r s r r vào phương trình (13) =>
Trang 50
2
dt u
L
K
m
r
r
Từ phương trình (11.b) =>K12K cl.1L m/2L r thay
vào phương trình (14) =>
2 1
2
0
2
dt u L dt u K
L
r
r r cl
r
r
r
Vậy có được khâu tạo dòng f
r
i 0
2
như sau:
r
i 0
2
Với khâu tích phân được thực hiện trên tọa độ
rotor, hay khâu tích phân được thực hiện trực tiếp
trên mạch điện rotor
Trên đây là mô hình hệ thống trên cơ sở mạch
công suất là nguồn áp Tuy nhiên, hệ thống với
mạch công suất nguồn áp sẽ gây một số khó khăn
trong quá trình tính toán điều khiển hệ thống sau
này, vì vậy dựa vào mô hình hệ thống với mạch
công suất nguồn áp, xây dựng mô hình trên cở sở
mạch công suất nguồn dòng như hình 4:
H.4 Sơ đồ khối mô hình hệ thống khi không có tải
với mạch công suất nguồn dòng
Vấn đề về công suất:
Phương trình điện áp stator của máy phát trên tọa
độ cuộn dây stato (bỏ qua thành phần điện áp rơi
trên điện trở) như sau [3]:
dt
d
u
s
s
s
s
)
(2
s s s
Phương trình (16) cho thấy từ thông stator luôn
chậm pha so với điện áp stator một góc khoảng
900, và thành phần dòng f
r
i 0
2
là thành phần tạo ra
từ thông chính sinh ra điện áp ở lưới ở stator
nên f
r
i 0
2 trùng pha với từ thông chính hay f
r
i 0
2 chậm pha so với điện áp stator một góc 900, vậy pha
của(2i r f0) chính là pha của dòng điện rotor ngang
trục theo tọa độ điện áp lưới của máy điện 2 là
rq
i
2 , và pha của dòng điện rotor dọc trục theo tọa
độ điện áp lưới 2i rd sẽ chính là pha của (2i r f0) trừ đi góc π/2, hay là pha của f
r
i 0
2
cộng góc π/2
2.2 Chế độ có tải của máy phát
Giả sử yêu cầu của máy phát là phải bơm ra lưới điện dòng điện tải là f
s
i
2
, ta phải điều chỉnh dòng rotor có giá trị như sau: f
rt f r f
i 2 0 2
2
, với2i r f0 là thành phần dòng điện rotor ở chế độ không tải đã được điều chế cố định ở phần 2.1 và luôn tồn tại sẵn ở rotor
Như vậy ta phải điều chế thành phần dòng rotor bổ sung 2i rt f để stator của máy phát bơm ra lưới điện dòng f
s
i
2
mà vẫn đảm bảo điện áp ra các cực stator của máy phát trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với lưới điện
rt f r f
i 2 0 2
2
s
i
2 vào phương trình (4c), nhận được từ thông stator của máy điện 2 như sau:
) 17 ( )
(
2 2
m f rt f r s f s f
Thay từ thông stator f
s
2 vào phương trình (4a), điện áp đầu ra stator của máy phát như sau:
) 18 (
) ( ) ( ) (
2 2 2
0 2 2
2
2 2 0 2 2 2 2 2 2 2
m f rt s m f r s s f s s
f rt m
f r m
f s s f s s f s
L i j L i j L i j
dt
i d L dt
i d L dt
i d L i R u
Vì điện áp rơi trên điện trở rotor2
s
R có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên các thành phần còn lại nên:
) 19 (
) ( ) ( ) (
2 2 2
0 2 2
2
2 2 0 2 2 2 2 2
m f rt s m f r s s f s s
f rt m
f r m
f s s f s
L i j L i j L i j
dt
i d L dt
i d L dt
i d L u
Vì điện áp ra của máy phát luôn phải đảm bảo bám điện áp lưới nên không đổi => so sánh phương trình (19) với phương trình (6b) có được:
m f rt s m f r s s f s s
f rt m
f r m
f s s m f r s
f r m f s
L i j L i j L i j dt i d L
dt i d L dt i d L L i j dt i d L u
2 2 2
2 2
2 2
2
0 2 2 2 2 2 0 2 0
2 2 2
) (
) ( ) (
) (
=>2i rt f (2L s/2L m).2i s f (20)
) / (
2 2 2 2
2 2 2 2
b a i
L L i
i L L i
rtq m m sq
rtd s m sd
Vấn đề về công suất:
Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát là:
) , 22 ( sin
3
cos 3
2 2
2 2
b a I
U Q
I U P
s s
s s
Với 2Us, 2Is là điện áp và cường độ dòng điện hiệu
dụng một pha của máy phát, φ là độ lệch pha giữa
điện áp và dòng điện trên một pha của máy phát
Trang 6Biểu diễn véc tơ điện áp và dòng điện stato của
máy phát trên tọa độ tựa theo điện áp lưới dq quay
với vận tốc góc slà f
s u
s i
2 thì góc lệch pha giữa f
s
u
s
i
2 vẫn là φ (hình 5), theo [3] độ dài
của véc tơ f
s
u
2
và f s i
2
(ký hiệu là |2u s f |và |2i s f |) chính là biên độ của điện áp và dòng điện tức
thời |2 | 2 . 2;|2 | 2 . 2 (23)
s f s s
f
Từ hình 5 =>
) , , 24 ( sin
|
|
cos
|
|
|
|
2
2
2
2
2
2
c b a i
i
i
i
u
u
f
s
sq
f
s
sd
f
s
sd
hay các phương trình (24.a,b,c) và các phương
trình (23) vào các phương trình (22.a,b) có:
) , 25 (
)
2
/
3
(
)
2
/
3
(
2 2
2 2
b a i
u
Q
i u
P
sq sd
sd sd
H.5 Véc tơ dòng điện và điện áp stato máy điện 2
trên tọa độ tựa theo điện áp lưới
Thay 2i sd ở phương trình (21a) và 2i sq ở phương
trình (21b) vào các phương trình (25.a,b) có:
) , 26 ( )
/ (
)
2
/
3
(
) / (
)
2
/
3
(
2 2 2 2
2 2 2 2
b a L
L i u
Q
L L i u
P
s m rtq sd
s m rtd sd
T
0 2 2
0 2 2
b a i
K i
i K i
rq q rtq
rd p rtd
(Với tín hiệu đồng dạng 2i rq0=2i r f0và 2i rd0 là
véc tơ2i r f0cộng thêm góc pha π/2 đã tạo được ở
mục 2.1)
Thay 2i rtd và 2i rtq để tính P và Q ta có:
) , 28 ( ) / (
)
2
/
3
(
) / (
)
2
/
3
(
2 2 0 2 2
2 2 0 2 2
b a Y K L L i u K
Q
X K L L i u K
P
q s m rq sd q
p s m rd sd p
Với X, Y là các thành phần cố định vì trong tọa độ
quay theo điện áp lưới thì các thành phần
sd rd rq
u i i đều cố định
Vậy để điều chỉnh công suất tác dụng P của máy
phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số
khuếch đại Kp, điều chỉnh công suất phản kháng Q của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số khuếch đại Kq
Sau đây là sơ đồ khối mô hình của hệ thống với mạch công suất là nguồn dòng:
H.6 Mô hình hệ thống khi có tải với mạch công
suất rotor là nguồn dòng
Thấy rằng các thành phần công suất P, và Q hoàn toàn tỉ lệ với các hệ số khuếch đại Kp, và Kq, như vậy có thể điều chỉnh dễ dàng các thành phần công suất của máy phát bơm ra tải bằng cách thay đổi các hệ số Kp, và Kq
3 Kết quả mô phỏng
Nhóm tác giả thực hiện chạy mô phỏng các tín hiệu ở mạch stato trên hệ tọa độ stator và các tín hiệu ở mạch rotor trên hệ tọa độ rotor, tức là các tín hiệu điện áp và dòng điện thu được là tín hiệu trực tiếp trên các cuộn dây stator và rotor
3.1 Chế độ không tải
Khi không tải, stato của máy phát hở mạch, kết quả mô phỏng chế độ không tải được thể hiện ở hình 7 Khi tốc độ quay r của rotor (đường 1) thay đổi từ 20 vòng/s, sang 30 vòng/s thì tín hiệu điện áp đồng dạng rotor uclcủa máy điện 1 (đường 2) thay đổi tần số từ 30 hz về 20 hz, đồng thời biên
độ cũng giảm theo Dòng điện điều khiển không tải của rotor pha a là2i r0a
(đường 3) có biên độ không thay đổi, nhưng tần số thay đổi từ 30hz về 20hz và theo [2] thì 2i r f0 sẽ không thay đổi Điện
áp pha a của máy phát usa (đường 5) luôn đáp ứng trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp pha a của lưới uLa(đường 4)
3.2 Chế độ có tải
Ở chế độ có tải, điện áp ra của máy phát được hòa với lưới điện, kết quả mô phỏng được thể hiện ở hình 8
Trang 7Ta cho hệ số điều khiển công suất tác dụng Kp
(đường 1) thay đổi từ giá trị 0.5 sang 1 tại thời
điểm t = 0.4s và cho về 0 tại thời điểm t = 0.5s Hệ
số điều khiển công suất phản kháng Kq (đường 2)
cho thay đổi từ 0 lên 2 tại thời điểm t = 0.6s và lên
4 tại thời điểm t = 0.7s Điện áp pha a của lưới
La
u (đường 3) có tần số f = 50hz, biên độ 220V
Ta có kết quả dòng điện pha a của máy phát cung
cấp ra lưới isa(đường 4) như sau:
Trong thời gian t < 0.5s : dòng điện pha a của
máy phát cung cấp ra lưới đồng pha với điện
áp lưới (tức là phát công suất tác dụng ra lưới)
và dòng tăng biên độ gấp đôi khi Kp tăng giá trị lên gấp đôi (tại t=0.4s)
Trong khoảng thời gian 0.5s < t < 0.6s: dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới xấp
xỉ bằng 0 do các hệ số điều khiển công suất Kp
và Kq đều bằng 0
Trong thời gian t > 0.6s: Dòng điện pha a của máy phát cung cấp ra lưới nhanh pha hơn điện
áp lưới 900 (tức là phát ra công suất phản khảng ra lưới) và dòng tăng biên độ gấp đôi khi Kq tăng giá trị lên gấp đôi (tại t=0.7s)
H.7 Kết quả mô phỏng không tải
H.8 Kết quả mô phỏng có tải
Kết luận
Phương pháp kích từ mà nhóm tác giả đề xuất đã đáp ứng được rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp lưới
Trang 8Trong quá trình khảo sát cho thấy tín hiệu điện áp
đồng dạng sẽ phản ứng tức thời khi điện áp lưới
hoặc tốc độ rotor thay đổi Vì vậy, phương pháp
điều khiển dựa trên tín hiệu đồng dạng sẽ cho kết
quả điện áp đầu ra luôn bám theo điện áp lưới
ngay cả khi điện áp lưới hay tốc độ rotor của DFIG
thay đổi Do đó, mô hình này rất phù hợp ứng
dụng trong máy phát đồng trục để hòa với lưới
điện trên tầu thủy vì lưới điện tầu thủy là lưới
“mềm”, điện áp thường xuyên bị đổi và tốc độ
máy chính ME cũng thường xuyên thay đổi theo
các tính huống trên biển
Mô hình có các khâu điều khiển các thành phần
công suất cung cấp ra lưới điện rất đơn giản và
hiệu quả: thành phần công suất tác dụng P tỷ lệ với
hệ số Kp, thành phần công suất phản kháng Q tỷ lệ
thuận với hằng số Kq, vì vậy việc thiết kế bộ khiển
các thành phần công suất sau này sẽ rất đơn giản
Bộ điều khiển trong mô hình không phải tính toán
nhiều nên không cần chọn chip điều khiển cấu
hình cao, dẫn đến hạ giá thành bộ điều khiển của
hệ thống
Các mạch trong hệ thống đều là các mạch liên tục
nên kết quả điện áp ra của máy phát hoàn toàn liên
tục và sẽ có dạng sin chuẩn
Tài liệu tham khảo
[1] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn; TS Nguyễn Tiến
Ban, Trạm phát và lưới điện tàu thủy, Nhà xuất
bản Khoa học và kỹ thuật, 2008
[2] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, Mô phỏng hệ
thống điện tử công suất và truyền động điện,
Nhà xuất bản xây dựng, 2002
[3] GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự
động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà
xuất bản Giáo dục, 1998
[4] Cao Xuân Tuyển, Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp Backstepping để điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát điện sức gió, Luận án tiến sỹ kỹ
thuật, 2008
[5] Đặng Danh Hoằng, Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến, Luận án tiến
sỹ kỹ thuật 2012
PGS.TS Nguyễn Tiến Ban: Nhận bằng kỹ sư
Điện Tàu thủy tại trường Đại Học Hàng Hải Việt nam 1981, Tiến sĩ Kỹ thuật tại Đại học Bách khoa
Hà Nội 2005 Hiện là Chủ nhiệm khoa Khoa học Tự Nhiên Đại học Hải Phòng Lĩnh vực nghiên cứu chính là Tự động hóa và Điều khiển, lĩnh vực chuyên sâu: Tàu thủy
Nguyễn Trọng Thắng sinh năm
1982, nhận bằng Kỹ sư Điện chuyên ngành Điều khiển tự động tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005,
nhận bằng Thạc sỹ Kỹ thuật ngành Tự động hóa tại Trường Đại Học Hàng hải Việt Nam năm 2009, bắt đầu làm Nghiên cứu sinh ngành Tự động hóa tại trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội từ năm 2011 Hiện đang là giảng viên khoa Điện-Điện tử trường Đại học Dân lập Hải Phòng, lĩnh vực nghiên cứu chính là Điều khiển tự động và các trạm phát điện trên tầu thủy