tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG Doubly-Fed Induction Generator...-12- 1.3.1.. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG ...-12

MỤC LỤC Nội dung

Trang

Lời cam

đoan -4-Lời cảm

ơn -5-Danh mục các ký hiệu và chữ viết

tắt -6-Danh mục các hình vẽ và đồ

thị -8-MỞ

ĐẦU -9-1 Tính cấp thiết của đề

tài -9-2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn -9-

3 Đối tượng và mục đích nghiên cứu -10-

4 Kết cấu của luận văn -10-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI

NƯỚC -11-1.1 Tổng

quan -11-1.1.1 Đặt vấn đề -11-

1.1.2 Năng lượng gió -11-

1.1.3 Vài nét về trạm phong điện -11-

1.2 Máy phát điện sức gió (Phong điện) -11-

1.2.1 Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng

gió -11-1.2.2 Cấu tạo của tuabin phong điện -12-

1.2.3 Nguyên lý làm việc của phong điện -12-

1.3 Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) -12-

1.3.1 Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng -12-

1.3.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG

-12-CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP

-13-2.1 Máy điện cảm ứng nguồn kép -13-

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện -13-

2.1.2 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG -13-

2.1.3 Công suất của DFIG -13-

2.1.4 Véctơ không gian -13-

2.1.5 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không gian -13-

2.2 Mô tả toán học hệ thống DFIG -13-

2.2.1 Mô tả toán học máy điện DFIG -14-

2.2.2 Mô tả toán học bộ lọc phía lưới -14-

2.2.3 Mô tả toán học bộ DC – Link -14-

2.2.4 Mô tả toán học bộ Grid Side Converter

(GSC) -14- 2.2.5 Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) -14-

2.3 Từ trường trong hệ thống DFIG -14-

2.3.1 Từ trường của stato -14-

2.3.2 Từ trường của lưới -14-

2.4 Kết luận chương 2 -14-

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -15- 3.1 Tìm hiểu một số phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió -44- 3.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu -15-

3.1.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ .-15-

3.2 Lý thuyết về điều khiển PID -15-

3.2.1 Đặt vấn đề -15-

3.2.2 Lý thuyết về điều khiển PID -15-

3.2.3 Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID -15-

3.2.4 Các hạn chế của điều khiển PID -15-

3.2.5 Ký hiệu thay thế và các dạng PID -15-

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng DFIG -15-

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC) -16- 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC) -18-

3.4 Kết luận chương 3 -20-

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK – PLECS VÀ KẾT

LUẬN -21-4.1 Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs -21-

4.2 Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ Matlab – Simulink – Plecs -21-

4.2.1 Các tham số dùng cho mô phỏng -21-

4.2.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống -21-

4.2.3 Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) -23-

4.2.4 Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát (MSC) -23-

4.2.5 Xây dựng các khối điều khiển phía lưới

(GSC) - 23-4.3 Kết quả mô phỏng -23-

4.3.1 Khởi tạo quá trình mô phỏng -23-

4.3.2 Kết quả mô phỏng -25-

4.4 Kết luận và kiến nghị -28-

TÀI LIỆU THAM

KHẢO -29-LỜI CAM ĐOANTên tôi là: Dương Quốc Hưng

Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuậtCông nghiệp Thái Nguyên

Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy

giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của

riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưatừng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xinchịu hoàn toàn trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011

Tác giả luận văn

Dương Quốc Hưng

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động

viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS

Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” đã hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ

dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa ĐiệnTrường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giảtrong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiệnluận văn

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đãquan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập vàhoàn thành bản luận văn

Tác giả luận văn

Dương Quốc Hưng

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:

Us (stator voltage): Điện áp Stato

R s (stator resistance): Điện trở Stato

Ur (rotor voltage): Điện áp Roto

R r ( rotor resistance): Điện trở Roto

Is (stator current): Dòng điện Stato

R m (magnetizing resistance): Điện trở từ hoá

Ir (rotor current): Dòng điện Roto

L sλ (stator leakage inductance): Điện cảm Stato

IRm (magnetizing resistance current): Dòng điện từ hoá

L rλ (rotor leakage inductance): Điện cảm Roto

Ψs (stator flux): Từ trường Statos (stator flux): Từ trường Stato

Ψs (stator flux): Từ trường StatoR (rotor flux): Từ trường Roto

ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato

L m (magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá

Ps: Công suất tác dụng Stato

Pr: Công suất tác dụng Roto

Qs: Công suất phản kháng Stato

Qr: Công suất phản kháng Roto

Ploss: Tổn thất công suất

Pmech: Công suất từ hoá

MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ nguồn kép

MĐĐB - KTVC Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

NLPL - NLDI Nghịch lưu phía lưới

NLMF - NLFDI Nghịch lưu phía máy phát

ĐKCTĐ điều khiển chuyển toạ độ trạng thái

Hình Tên hình Trang

Hình 1.1 Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch 11 Hình 1.11 Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG 12 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG 25 Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG 14 Hình 3.11 Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Roto 16 Hình 3.13 Bộ điều khiển công suất tác dụng 17 Hình 3.14 Bộ điều khiển công suất phản kháng 17 Hình 3.15 Bộ điều khiển tốc độ 18 Hình 3.16 Mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới 18 Hình 3.17 Mạch vòng điều khiển điện áp DC – Link 19 Hình 4.11 Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió

Hình 4.12 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy

phát điện sức gió DFIG 22

Hình 4.33

Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs),

phía Roto (Pr, Qr) và công suất phát của hệ

thống (P,Q)

26

Hình 4.34 Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp

Rotor (Ur) khi Vwind =12m10.5m/s 27

Hình 4.35

Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công

suất một chiều Pdc của bộ DC – Link khi Vwind

=12m10.5m/s

28

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay nguồn năng lượng sạch khá dồi dào, có khả năng thaythế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường

Việc khai thác năng lượng sạch có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xãhội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu nhằm sảnxuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặttrời và năng lượng gió [4], [10], [11], [12] Hệ thống máy phát điện sứcgió lợi dụng gió để làm quay tuabin máy phát tạo ra điện đang được ứngdụng nhiều trong thực tế Với tuabin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổinối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng kềnh, tốn kém, do

bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của tuabin

Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

(Doubly-Fed Induction Generator), với Roto dây quấn và Roto được

nối với lưới điện thông qua một bộ back-to-back converter Còn Statocủa DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông quađiều khiển bộ back-to-back converter phía Roto Vì bộ điều khiển nằmphía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato, dẫn đếngiá thành rẻ hơn nhiều

Việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển để điều khiển dòngRotor cho máy phát điện nguồn kép đang được chú ý [10], [11] Đề tài

đưa ra phương án: “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG”.

2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết

kế hoàn chỉnh hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System) Đemlại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồnnăng lượng sạch Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sửdụng nguồn năng lượng sạch

3 Đối tượng và mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch nói chung và năng lượnggió nói riêng: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới

- Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy điệncảm ứng nguồn kép DFIG, các phương trình thay thế và mô tả máy điệnDFIG

- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID

- Nghiên cứu thiết bộ điều khiển: Tổng hợp dòng, áp Đo côngsuất (P, Q) của lưới, của máy phát để đưa ra phương pháp điều khiểndòng kích từ Rotor máy phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, côngsuất máy phát và phát năng lượng này lên lưới

- Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sửdụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG trên phần mềm MATLAB –SIMULINK – PLECS

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoàinước

Chương 2: Mô hình toán học hệ thống máy phát điện sức giódùng máy điện cảm ứng nguồn kép

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện sức giódùng máy điện cảm ứng nguồn kép

Chương 4: Mô phỏng hệ thống trên matlab – simulink – plecs

và kết luận

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Đặt vấn đề

1.1.2 Năng lượng gió

1.1.3 Vài nét về trạm phong điện

1.2 MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

1.2.1 Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió

Hình 1.1 trình bày tổng quan về hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió

và năng lượng mặt trời Trong đó:

DIM là máy phát điện sức gió

NLFDI; NLDI là các bộ nghịch lưu phía máy phát và nghịch lưu phía

lưới:

Bộ đóng cắt mềm: Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị

được kết nối hoặc không kết nối với lưới

Hình 1.1 Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch

1.2.2 Cấu tạo của Tuabin phong điện

1.2.3 Nguyên lý làm việc của phong điện

1.3 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG Fed Induction Generator).

(Doubly-1.3.1 Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng 1.3.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện khôngđồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từgió Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợpvận hành có hoà lưới), hoặc nhờ ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điệnvới điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ Ở các hệthống phát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép (còn đượcgọi là máy điện không đồng bộ nguồn kép) với công suất cỡ lớn thườngđược thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng dotuabin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thốngđiều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay (hình 1.11)

Hình 1.11 Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP2.1 MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện

2.1.2 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG được trình bàynhư hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

2.1.3 Công suất của DFIG

2.1.4 Véctơ không gian

2.1.5 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không gian

2.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG DFIG

Hình 2.8 trình bày sơ đồ mạch điện thay thế hệ thống DFIG.Như đã đề cập trước đó, hệ thống điều khiển gồm một bộ biến đổi điện

áp Back – to – Back Converter cùng bộ nguồn một chiều DC link ởgiữa

Bộ Back – to – Back Converter gồm bộ biến đổi phía lưới side converter – GSC) và bộ biến đổi phía máy phát (machine-sideconverter - MSC) Hơn nữa giữa GSC và lưới (Grid – G) có đặt một bộlọc nhằm lọc bớt những sóng hài bậc cao gây ra bởi GSC

(grid-s

s



Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG

2.2.1 Mô tả toán học máy điện DFIG

2.2.2 Mô tả toán học bộ lọc phía lưới

2.2.3 Mô tả toán học bộ DC – Link

2.2.4 Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC)

2.2.5 Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) 2.3 TỪ TRƯỜNG TRONG HỆ THỐNG DFIG

2.3.1 Từ trường của Stato

2.3.2 Từ trường của lưới

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương 2 tập trung trình bày về cấu tạo, nguyên lý làm việc, sơ

đồ mạch điện thay thế và các phương trình điện, từ của máy phát điệnDFIG Đồng thời mô tả toán học hệ thống máy phát điện sức gió sửdụng máy phát điện cảm ứng DFIG trong hệ toạ độ không gian véc tơ

Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian là để mô tả máy điện cảmứng chỉ bằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha Tác giả đưa ra sơ đồkhối hệ thống máy phát, sau đó lần lượt mô tả toán học cho từng khối:

Khối máy điện DFIG

Bộ lọc phía lưới

Bộ lưu điện áp một chiều DC – Link

Bộ biến đổi điện áp phía lưới

Bộ biến đổi điện áp phía máy phát

Trong chương này chúng ta cũng đi tìm hiểu sự hình thành từtrường trong máy phát và viết các phương trình mô tả từ trường phíaStato và từ trường của lưới.

Việc mô tả toán học hệ thống là tiền đề cho việc xây dựng các

bộ điều khiển hoà lưới điện sau này

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

3.1 TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

3.1.1 Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

3.1.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 3.2 LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN PID

3.2.1 Đặt vấn đề

3.2.2 Lý thuyết về điều khiển PID

3.2.3 Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID

3.2.5 Ký hiệu thay thế và các dạng PID

3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG DFIG

Sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIGđược trình bày như hình 3.11

L f Rf

Máy phát DFIG

ĐK dòng MF

ĐK C.suất MF

ĐK tốc độ Tính toán

C.suất MAX

+

+

ĐK điện áp

ĐK dòng điện Tính toán C.suất P,Q

Hỡnh 3.11 Hệ thống điều khiển mỏy phỏt điện sức giú DFIG

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển phớa mỏy phỏt (MSC)

a Mạch vũng điều khiển dũng điện

Sơ đồ cấu trỳc của vũng kớn điều khiển dũng điện phớaRoto như hỡnh 3.12

DFIGu'R uR

b Mạch vòng điều khiển công suất

suất biểu diễn theo từ trường của Stato như sau:

Cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất có dạng như hình 3.13

Hình 3.13 – 3.14 Bộ điều khiển công suất tác dụng và phản kháng

c Mạch vòng điều khiển tốc độ (Speed Controller)

Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ có dạng như hình 3.15.Trong đó nMF là tốc độ quay của máy phát (đo trên trục Roto của máyphát); n*ref là tốc độ đặt của mạch vòng điều khiển tốc độ (n*ref được lấy

từ đầu ra của bộ theo dõi công suất cực đại – “MPT” (Maximum Power

Tracking) n*ref được tính theo công thức: