tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ với tuốc bin kiểu trục ngang

Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới………..…….12 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 3.1... ưu để lấy công su

Mục lục

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở

đầu………1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của luận văn 3

1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió 3

1.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện 4

1.2.3 Công suất tuabin gió 4

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió 5

1.3 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC 6

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC 7

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC 8

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC 8

2.3 Hệ thống điều khiển góc cánh 8

2 4 Hệ thống điều khiển phía máy phát 9

2.5 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hoá chính xác 10

2.6 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, Udc) 10

2.6.1 Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor 10

2.6.2 Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (UDC)………11

2.7 Hệ thống điều khiển phía lưới 12

2.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới………12

2.7.2 Xây dựng mô hình dòng phía lưới……… ………12

2.7.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới……… …….12

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 3.1 Bộ điều khiển MPPTP………13

3.2 Bộ điều khiển từ thông máy phát……….15

CHƯƠNG 4 KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN Tổng quan 4.1.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng PLECS……… 17

4.1.2 Các tham số dùng cho mô phỏng ……….…17

4.2 Xây dựng các khối mô phỏng trên Simulink và PLECS…….….17

4.2.1 Khối “DFIM Model”……….… 17

4.2.2 Khối “Generator Side Controller”……… 17

4.2.3 Khối “Grid Side Controller”………17

4.3 Kết quả mô phỏng phía máy phát……….17

4.3.1 Kết quả mô phỏng giá trị dòng isd……… 17

4.3.2 Kết quả mô phỏng giá trị dòng isq……… 17

4.3.3 Kết quả mô phỏng giá trị công suất P0 trên hệ tọa độ dq………18

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

ưu để lấy công suất cực đại từ gió cho bộ phát điện chạy sức gió.

Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB - KTVC)ngày càng đuợc ứng dụng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nóichung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió Máyphát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến vài MW và

có những ưu điểm nổi bật:

 Từ thông đã tồn tại sẵn sàng nhờ hệ thống nam châm vĩnhcửu dán trên bề mặt roto Vì vậy, chỉ cần máy phát quay làtại các cực nối ra của máy phát đã xuất hiện điện áp

 Có thể được sử dụng linh hoạt trong các hệ thống phát điệnchạy sức gió một cách linh hoạt theo một trong hai phươngán sau:

o Sử dụng một khâu chỉnh lưu đơn giản ở phía máyphát.

o Sử dụng một khâu nghịch lưu phía máy phátTrong hệ thống điều khiển có thể sử dụng các bộ điều khiển mờ đểtối ưu hóa hiệu suất hệ thống, nâng cao chất lượng điều khiển và lấycông suất cức đại từ năng lượng gió Tuy vậy để phát được chất lượngtốt, cần phải có một phương pháp điều chỉnh thích hợp trong hệ thốngmáy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng điện cũng như giảm giáthành

Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ với tuốc bin kiểu trục ngang”.

Luận văn được chia thành các chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Chương 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC

Chương 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC Chương 4 KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

Hệ thống điều khiển được kiểm chứng qua công cụ mô phỏngMATLAB & Simulink Đặc biệt để thêm tính khách quan, mô hình đốitượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một bộphần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện

Chương 4 cũng đưa ra các kết quả mô phỏng, qua đó, ta quan sátđược tác dụng của cấu trúc điều khiển mới, so sánh ưu điểm với cấu trúccũ

Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng

dẫn tận tình của TS Cao Xuân Tuyển, song luận văn không thể tránh

khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét củacác thầy cô giáo và các bạn quan tâm.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (PHONG

ĐIỆN) 1.1 Đặt vấn đề

Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng táitạo 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 nănglượng

- 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 phảitiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo nănglượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn nữa

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin giótrong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hìnhthành 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 dựngtrên các vùng biển “offshore” Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo

ra có thể lên tới hàng chục MW

1.2 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng

1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là donguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặttrời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳthuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụngluồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đithuyền, thả diều và phát điện

Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng đểphát ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lựccủa gió thành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng chonhững công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lươngthực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thànhnăng lượng điện

1.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện

Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:

- Một loại theo trục đứng ( giống như máy bay trực thăng.)

- Một loại theo trục ngang

Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt.Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạthướng về chiều gió đang thổi Ngày nay tuabin gió trục ngang 3 cánhquạt được sử dụng rộng rãi

1.2.3 Công suất tuabin gió

Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn

cỡ vài MW Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thànhmột nhóm nhưng tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấpnăng lượng lớn hơn cho lưới điện Các tuabin gió loại nhỏ có công

suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình Viễn thông hoặc bơm nướcđôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thốngquang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình

là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lướiđiện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió

Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một

tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụngđiện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió

để tạo ra điện

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Nănglượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotorđược nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quaymáy phát để tạo ra điện

Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ởtốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanhhơn và ít bị các luồng gió bất thường

Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xâydựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện rarộng hơn

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốcbin 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 cốđịnh (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ đượcnối 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

1.3 Khái quát về hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC

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

Hình 1.1 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh

lưu đơn giản

Hình 1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát

S G

~

C L

NL PL

S G

~

NL MF

NL PL

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC

2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC

Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điệnsức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 2.1,trong đó sử dụng bộ nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để

có thể thực hiện thuật toán điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát

Hình 2.1 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ

kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC)

Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh củatuốc bin gió thông qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằmduy trì tốc độ máy phát ứng với công suất cực đại lấy từ gió

Điều khiển phía máy phát

Điều khiển phía lưới

Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máyphát (NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiềutrung gian có giá trị không đổi.

Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưu phíalưới (NLPL) nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới vàphát công suất tác dụng cực đại lên lưới

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC

2.3 Hệ thống điều khiển góc cánh

Hình 2.2 Hệ thống điều khiển góc cánh

PM SG

NL MP

SVPW M



r

+

RE C



REC: Bộ chỉnh lưu; NLMP: Nghịch lưu phía máy phát.

ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái.

MPPTP: Bộ điều khiển mờ xác định tốc độ máy phát ứng với

công suất cực đại lấy từ gió

2 4 Hệ thống điều khiển phía máy phát

Để đảm bảo công suất tác dụng mà máy phát phát ra được truyềnlên lưới qua tụ nối giữa hai bộ biến đổi, điện áp trên tụ phải được giữkhông đổi Trong hệ toạ độ tựa từ thông cực từ, nếu ta điều khiển để véc

tơ dòng stator is vuông góc với véc tơ từ thông cực từ , nghĩa là thànhphần dòng từ hoá isd= 0, và toàn bộ dòng stator chỉ để tạo mô men (haycông suất tác dụng), khi đó nếu bỏ qua tổn hao trong máy phát và bộbiến đổi, công suất tác dụng máy phát phát ra được xác định như sau :

32

P P U I m  z i

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía máy phát

Biểu thức trên nói lên rằng công suất tác dụng phát ra cũng nhưđiện áp một chiều trung gian trên tụ được xác định bởi thành phần dòngisq, do đó điện áp trên tụ được điều khiển để duy trì điện áp trên nókhông đổi thông qua thành phần dòng isq

PM SG

NL MP

SVPW M

3 2

u 

ĐK CT Đ

isdR

isqRUDCR

+

+

-Trong đó: ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái; ĐKTTMF:Điều khiển từ thông máy phát.

2.5 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hoá chính xác

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái được minh hoạ như

hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển chuyển trạng thái

2.6 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, U dc )

2.6.1 Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor

Ta thấy, do hiệu quả tách kênh khi chuyển hệ mô hình trạng tháicủa đối tượng, ta có thể thiết kế các bộ điều chỉnh riêng rẽ cho từng trục

d và q Sơ đồ cấu trúc của vòng điều chỉnh dòng startor sẽ có dạng nhưsau:

Học viên: Nguyễn Thị Thắm – K11 TĐH – ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp

LsqΨ

p

sq sq

L T

sd sd

L T

Lsq

w3[rad/s]

x1 = isd[A] x2 = isq[A]

2.6.2 Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (U DC )

Mô hình MĐĐB cực tròn kích thích vĩnh cửu chỉ ra rất rõ ràng

rằng: vì từ thông cực từ là hằng (vĩnh cửu), mô men quay tỷ lệ thuận

trực tiếp với thành phần dòng isq Dòng startor chỉ có nhiệm vụ tạo ra mô

men quaychứ không có nhiệm vụ tạo từ thông Ta có sơ đồ khối của

mạch vòng điều chỉnh tốc độ như sau:

ĐCĐB

Động

cơ đồng bộ

usd

usq

isd

isq θ

w3

2.7 Hệ thống điều khiển phía lưới

2.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới

Khâu điều khiển mờ MPPTL xác định công suất cực đại lấy từ gióphát lên lưới Phân tích tương tự như khi thiết kế bộ điều khiển mờMPPTP, ta có cấu trúc của bộ điều khiển mờ MPPTL với chức năng làtìm ra công suất cực đại lấy từ gió để phát lên lưới như hình 2.13

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới

2.7.2 Xây dựng mô hình dòng phía lưới

2.7.2.1 Mô hình liên tục phía lưới

2.7.2.2 Mô hình gián đoạn phía lưới

2.7.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới

2.7.3.1 Phương thức điều khiển hệ thống phía lưới

2.7.3.2 Thiết kế khâu điều chỉnh dòng phía lưới có đáp ứng tức thời

NLP L

SVPWM

N



3 2

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG

MĐĐB - KTVC 3.1 Bộ điều khiển MPPTP

Hình 3.1 Quan hệ giữa P 0 , tốc độ máy phát, tốc độ gió và hoạt động

của các bộ điều khiển mờ MPPTL, ĐKTTMF

Với giả thiết bỏ qua tổn hao trong hệ thống, các đường cong quan

hệ giừa công suất máy phát phát lên lưới (P0) và tốc độ máy phát (ωr)được chỉ ra ở hình 3.1

Với một giá trị xác định của tốc độ gió, bộ điều khiển mờ MPPTP

có nhiệm vụ là tìm ra tốc độ của máy phát tương ứng để công suất lấy từgió truyền lên lưới là lớn nhất Giả sử gió đang có tốc độ Vw4, và tốc độ

ĐKTTMF

máy phát là ωr1, công suất mà hệ thống phát lên lưới ứng với điểm A, bộđiều khiển mờ sẽ thay đổi tốc độ từng bước một cho đến khi đặt tốc độωr2 ứng với công suất phát lên lưới cực đại tại B Nếu tốc độ gió tăng lêntới giá trị Vw2 , công suất phát lên lưới sẽ tăng lên ứng với điểm D, sau

đó bộ điều khiển mờ MPPTP sẽ tìm ra tốc độ ωr4 ứng với điểm E là điểm

mà công suất ra là cực đại Nếu tốc độ gió giảm từ Vw2 xuống Vw3,công suất ra sẽ giảm xuống ứng với điểm G, sau đó MPPTP sẽ tìm ra tốc

độ ωr3 để cho công suất ra cực đại ứng với điểm H

Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPPTP được giải thích nhưsau: ứng với sự tăng hoặc giảm của tốc độ máy phát, MPPTP xác định

sự thay đổi công suất đầu ra ∆P0 tương ứng Nếu ∆P0 dương ứng với sựthay đổi tốc độ máy phát trước đó L∆ωr là dương, thì hướng tìm tốc độmáy phát là theo hướng tìm trước đó Ngược lại, nếu L∆ωr dương gâynên ∆P0 âm, thì hướng tìm tốc độ máy phát ứng với công suất ra cực đại

sẽ theo hướng ngược lại

Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ MPPTP

Z-1

ωr*

Z-1

L∆ωr(p u)

∆P

0

∆P0(p u)

∆ωr(p u)

∆

ωr