Sách Lược Điều Khiển Nhằm Nâng Cao Tính Bền Vững Trụ Lưới Của Hệ Thống Phát Điện Chạy Sức Gió Sử Dụng Máy Điện Không Đồng Bộ Nguồn Kép

a các chế độ vận hành, b dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, c dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ 7 1.4 Các vùng làm việc của một tuốc bin gió nét đậm: đặc tính công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN NHẰM NÂNG CAO TÍNH BỀN VỮNG TRỤ LƯỚI CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

BỘ NGUỒN KÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TSKH Nguyễn Phùng Quang

2 PGS TS Nguyễn Như Hiển

Thái nguyên năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Mai Hương Nơi công tác: Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

Tên đề tài: Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của

hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 62526001 Tôi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tôi Ngoài các tài liệu tham khảo

đã được trích dẫn, các kết quả mới trình bày trong luận án là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 09 năm 2012

Người viết

Nguyễn Thị Mai Hương

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn GS TSKH Nguyễn Phùng Quang – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành bản luận án này

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Như Hiển – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả cũng xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và Trung tâm Công nghệ cao- trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian và cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành công luận án

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục iv

Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu và từ viết tắt vii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị x

Danh mục bảng xiii

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG Chương1 Tổng quan 6

1.1 Khái quát về năng lượng gió 6

1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển 8

1.2.1 Công suất của tuốc bin gió 9

1.2.2 Điều khiển tuốc bin gió 9

1.2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép 11

1.3 Yêu cầu điều khiển trụ lưới 12

1.3.1 Các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới 12

1.3.2 Yêu cầu trụ lưới 13

1.3.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới 14

Chương 2 Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK 17

2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 17

2.2 Mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép 18

2.3 Mô hình phía lưới 21

2.4 Điều khiển phía máy phát 23

2.4.1 Cấu trúc điều khiển 23

2.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển phía máy phát 26

2.4.3 Hòa đồng bộ với lưới 29

2.5 Điều khiển phía lưới 30

2.5.1 Cấu trúc điều khiển 30

2.5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 32

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển trụ lưới 38

3.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thường của lưới điện ………38

3.2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới 39

3.2.1 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới hoàn toàn 39

3.2.2 Động học MPKĐBNK khi lỗi lưới một phần 41

3.3 Sách lược điều khiển trụ lưới 42

3.3.1 Đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới 42

3.3.2 Điều khiển bộ biến đổi phía rotor khi xảy ra lỗi lưới 42

3.4 Tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều khiển phía lưới 43

3.4.1 Tính toán các vector điện áp và dòng điện khi không có thành phần bậc zero 43

3.4.2 Phân tích công suất tức thời theo các thành phần Clarke 44

3.4.3 Lọc tích cực trên cơ sở bù công suất tức thời 45

3.4.4 Thiết kế bổ sung chức năng lọc tích cực cho hệ thống điều khiển phía lưới `47

3.5 Trụ lưới không đối xứng sử dụng bộ điều khiển với thành phần đối xứng 49

3.5.1 Biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng 49

3.5.2 Xác định các thành phần đối xứng theo phương pháp công suất tức thời 53

3.5.3 Xác định các thành phần đối xứng sử dụng bộ lọc đa biến 59

3.5.4 Thiết kế bộ điều khiển với thành phần đối xứng 63

3.6 Cấu trúc điều khiển của toàn bộ hệ thống 66

Chương 4 Kết quả mô phỏng 70

4.1 Các sơ đồ mô phỏng 70

4.2 Kết quả mô phỏng với lọc tích cực 76

4.2.1 Tải phi tuyến trong chế độ làm việc bình thường 76

4.2.2 Tải phi tuyến và lọc tích cực 78

4.3 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới 81

4.3.1 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới không có bảo vệ 81

4.3.2 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới có bảo vệ bằng BNQĐA 83

4.3.3 Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển tổng hợp đối xứng 85

4.4 So sánh các khả năng cân bằng dòng lưới khi lỗi lưới không đối xứng 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………89

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ TỪ

VIẾT TẮT

5 C tb Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của

turbin gió

8 tb Hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc của turbin và

tốc độ gió

13 in Véc tơ dòng điện lưới

14 ic Véc tơ dòng điện bộ biến đổi phía lưới

15 is Véc tơ dòng điện stator máy phát

16 ir Véc tơ dòng điện rotor máy phát

17 if Véc tơ dòng điện chạy qua nhánh song song

của bộ lọc

18 i rd Thành phần d của dòng điện rotor

19 i rq Thành phần q của dòng điện rotor

20 i sd Thành phần d của dòng điện sator

21 i sq Thành phần q của dòng điện sator

22 i nd Thành phần d của dòng điện lưới

23 i nq Thành phần q của dòng điện lưới

24 i cd Thành phần d của dòng điện bộ biến đổi phía

28 un Véc tơ điện áp lưới

29 uc Véc tơ điện áp bộ biến đổi phía lưới

u Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ rotor

32 us Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq

33 ur Véc tơ điện áp rotor trên hệ trục tọa độ dq

34 ur0 Điện áp rotor khi hở mạch

35 us t, us t Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới trên

39 u rd,u rq Các thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq

40 u sd, u sq Các thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ

dq

41 u nd, u nq Các thành phần điện áp lưới trong hệ tọa độ dq

42 u cd, u cq Các thành phần điện áp bộ biến đổi phía lưới

49 R s Điện trở stato

50 R r Điện trở rotor

51 PKĐBNK Máy phát không đồng bộ nguồn kép

52 BBĐPMP Bộ biến đổi phía máy phát

53 BBĐPL Bộ biến đổi phía lưới

54 PBC Passivity - Based Control

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện

sức gió

6

1.2 Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng

lượng tương ứng (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế

độ trên đồng bộ

7

1.4 Các vùng làm việc của một tuốc bin gió (nét đậm: đặc tính

công suất tối ưu của hệ thống)

10

2.8 Bộ biến đổi phía lưới với bộ điều khiển deadbeat 36

3.6 Nguyên lý bộ lọc tích cực bù thành phần công suất không đổi

trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới

48

3.7 Nguyên lý chức năng lọc tích cực sẽ được tích hợp bổ sung vào 48

cấu trúc điều khiển bộ biến đổi phía lưới

3.10 Xác định thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới 58 3.11 Thành phần thứ tự thuận của điện áp lưới khi có tải phi tuyến 59 3.12 Phân ly thành phần thứ tự thuận và ngược sử dụng các bộ lọc

4.1 Nguyên lý mô phỏng hệ thống máy phát sức gió với

4.8 Các kết quả mô phỏng với tải phi tuyến trong chế độ làm việc

bình thường

77

4.9 THD của dòng điện lưới trong chế độ làm việc bình thường với

4.10 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến và có lọc tích cực 79 4.11 THD của dòng điện lưới trong chế độ làm việc bình thường với

tải phi tuyến có lọc tích cực

4.14 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới với bộ điều khiển THĐX sử

dụng cả thành phần thứ tự thuận và ngược

86

DANH MỤC BẢNG

4.1 CácthôngsốcủaMPKĐBNK ……… 63

M Ở ĐẦU

Tính c ấp thiết của đề tài

Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượng điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện là các dạng năng lượng đang ngày càng cạn

kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn

Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới Tuy nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được

thực hiện với công suất nhỏ Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3 công suất tổng của hệ thống máy phát Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong

một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử

dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích vĩnh cửu với

bộ biến đổi đặt ở phía stator

Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu khắt khe hơn về chất lượng nguồn điện Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó

có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong

tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng phải đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề ra Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì vấn đề

trụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết Đặc biệt, khi hệ

thống phân phối bị lỗi lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắt khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm trọng thêm và

việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn Khi vận hành các hệ thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc song song với lưới khi xảy ra lỗi lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường càng sớm càng tốt

sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ Không những thế, hệ thống điều khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng

Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ

thống phát điện chạy sức gió Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ Đồng thời vấn đề kết hợp

hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa được quan tâm một cách triệt để

Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao

tính b ền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa

quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên

M ục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao

khả năng trụ lưới của hệ thống

Các n ội dung chính của luận án

• Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến đổi) phía máy phát Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo đảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối

• Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng

• Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và ngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho

từng thành phần Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng lưới trên các trục

tọa độ quay tương ứng

• Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử

dụng máy phát điện nguồn kép Ở chế độ xác lập (không có lỗi lưới), bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng điện lưới có dạng hình sin hơn khi làm việc với các tải phi tuyến Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân

bằng dòng điện trong các pha

• Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo

thụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

• Kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trường Matlab-Simulink-Plecs

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép

• Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động

• Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho

bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phía lưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc không có dây trung tính

Ý ngh ĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

• Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sách lược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất

• Hai ý nghĩa thực tiễn chính là không chỉ mô phỏng thành công mà còn chỉ ra tính

khả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới

Nh ững đóng góp của luận án

• Xây dựng và mô phỏng thành công sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng trên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha không

có dây trung tính Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn

so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại

• Đã chứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều

khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến

vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến Phần

cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của

hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên

cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ

thống 3 pha 4 dây) Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối

xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng được trình bày chi tiết trong chương 3

Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện

sức gió Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector điện áp lưới dq Trên cơ sở các mô hình toán đã có để xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp passivity-based Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện

cụ thể Phần cuối của chương 2 trình bày về việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat

Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án Phần đầu của chương 3 giới thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi lỗi lưới Tác hại của việc lỗi lưới đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió Phần tiếp theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ

bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới Các đóng góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các

trạng thái lỗi lưới khác nhau Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo

dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu Từ

đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng Phần cuối cùng

của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đối

xứng Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài Phần cuối của chương 3

đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử

dụng máy phát điện nguồn kép Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò m ột bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới có

dạng hình sin hơn khi làm việc với các tải phi tuyến Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ

trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha

Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòa đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm

việc bình thường cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực Trọng tâm của chương 4 dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi lỗi lưới đối

xứng và không đối xứng Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp Trường

hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không

áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ

thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới Trường hợp thứ hai

là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới Từ các kết quả nghiên

cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so sánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới

Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị

Chương 1 Tổng quan 1.1 Khái quát v ề năng lượng gió

Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao Đặc biệt, sự phát triển năng lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho biết dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39]

Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ượng của các hệ thống phát điện chạy

sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35] Trong khi dung lượng đó ở Mỹ đã tăng từ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn 16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26]

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các

tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1

Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có

thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng

Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Máy phát một

Máy phát xoay chiều 1 pha

Máy phát xoay chiều 3 pha

Máy phát không đồng bộ

Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép

Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Hệ thống phát điện sức gió

sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn Ngày nay, các hệ thống

tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây

quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor Các máy phát như vậy còn được gọi là các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK) Bên cạnh khả năng làm việc

với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng

của các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46] Điều này cho phép giảm được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84] Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích

vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc

Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2

Rotor

Rotor

S -1 n

n s 0

1 0

m

(a)

Trên đồng bộ Chế độ máy phát

0 > s > - ∞

Trên đồng bộ Chế độ động cơ

0 > s > - ∞

Dưới đồng bộ Chế độ động cơ

1 > s > 0

Dưới đồng bộ Chế độ máy phát

1 > s > 0

1.2 H ệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới Các

cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian

Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20] Phần điều khiển tuốc bin cung cấp các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ *

e

T cho phần điều khiển máy phát nguồn kép Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của

tuốc bin Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch θp được đưa trực tiếp tới bộ

phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin Trong khi đó,

mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và

AC DC

AC DC

Bộ điều khiển phía lưới

Điện áp một chiều trung gian

Quản lý

hệ thống Điều khiển

góc pitch Điều khiển turbine

Gió

MPKĐBNK

công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn

1.2.1 Công su ất của tuốc bin gió

Công suất của tuốc bin gió được tính theo công thức sau [29, 48, 65, 66]:

2 3

1

= 2

v là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió (m/ s), C tb là hệ số

phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuốc bin gió và được cho bởi

( ) ( ) =

một tuốc bin gió còn phụ thuộc tốc độ quay của nó nữa

1.2.2 Điều khiển tuốc bin gió

Như đã trình bày trong mục 1.2.1, để duy trì công suất được biến đổi từ năng lượng gió thành công suất cơ trên trục của tuốc bin là cực đại thì cần phải đảm bảo giá

trị của hệ số C tb là tối ưu ứng với từng tốc độ gió trong dải tốc độ gió cho phép Việc điều chỉnh sao cho tốc độ tuốc bin đạt được giá trị cho phép phát ra công suất đỉnh được thực hiện thông qua việc điều khiển góc pitch Ở tốc độ gió nằm ngoài dải tốc độ cho phép của tuốc bin thì thì cần phải cắt máy phát ra khỏi lưới và sử dụng phanh cơ khí để giữ cho tuốc bin không quay Muốn như vậy thì tốc độ trục cơ của tuốc bin gió (được kết nối với trục rotor của MPKĐBNK thông qua một hộp số) phải được điều

khiển bám theo đường đặc tính tối ưu cho phép khai thác công suất tối đa ứng với

từng tốc độ gió như đã được thể hiện ở các công thức (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4 Đây cũng chính là một chủ đề đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu khá rộng rãi [16,

19, 23, 48, 62, 80]

Hình 1.4 là một ví dụ về mối quan hệ giữa công suất của một tuốc bin với tốc độ góc quay của nó ứng với các tốc độ gió khác nhau Đường đặc tính công suất tối ưu của

tuốc bin được thể hiện bằng nét đậm và được mô tả như sau [66]:

• Khi tốc độ gió nằm trong khoảng từ tốc độ nhỏ nhất cho phép và tăng cho đến khi công suất của máy phát đạt giá trị lớn nhất cho phép thì tốc độ quay của tuốc bin gió được điều chỉnh sao cho C tb đạt được giá trị tối ưu để công suất biến đổi từ năng lượng gió ứng với mỗi tốc độ gió là lớn nhất Vùng làm việc như vậy còn được gọi là vùng tối ưu công suất

• Khi công suất của máy phát đã đạt đến giới hạn lớn nhất cho phép mà tốc độ gió

vẫn tiếp tục tăng thì có thể điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin ứng với từng tốc độ gió sao cho C tb đạt được giá trị nhỏ hơn giá trị tối ưu hoặc điều chỉnh góc pitch để giữ cho công suất cơ trên trục của tuốc bin là hằng số Vùng làm việc như vậy còn được

gọi là vùng công suất không đổi

• Khi việc điều chỉnh hệ số C tb và góc pitch đã ở mức tới hạn mà tốc độ gió vẫn

tiếp tục tăng thì buộc phải cắt máy phát để bảo vệ tuốc bin và các bộ biến đổi công

suất

Cần chú ý rằng việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trực

tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh gió hoặc thực hiện gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát

1 2.3 Điều khiển hệ thống máy phát nguồn kép

Các thiết kế điều khiển MPKĐBNK kinh điển với các bộ điều khiển kiểu PI được trình bày trong [18, 44, 65, 67, 69, 75] Đặc điểm chung của các phương pháp này

là có thêm một thành phần bù kiểu feed-forward ở đầu ra của các bộ điều khiển nhằm

loại bỏ các ảnh hưởng của lực phản điện động của máy Chi tiết của vấn đề này được trình bày trong [84] Tuy nhiên, tính năng của các bộ bù feed-forward phụ thuộc vào độ chính xác của các tham số của MPKĐBNK nên thường không có được đặc tính làm

việc lý tưởng trong thực tế do các tham số MPKĐBNK có thể bị biến đổi trong quá trình làm việc Một phương pháp điều khiển MPKĐBNK kinh điển khác là điều khiển dead-beat được trình bày trong [49, 72] Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên việc giả thiết tần số rotor là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu T, dẫn đến mô hình gián đoạn của MPKĐBNK là mô h ình tuyến tính hệ số hàm cho phép thiết kế bộ điều khiển tuyến tính Để tránh việc sử dụng các bộ bù feed-forward và để đảm bảo chất lượng của

hệ thống điều khiển trong một khoảng làm việc rộng của tốc độ rotor, các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được đề nghị áp dụng cho điều khiển MPKĐBNK Vấn đề này

đã được trình bày trong các tài liệu [1, 5, 49, 57, 73, 74]

Như đã trình bày ở trên, mặc dù hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của một tuốc bin gió phải gồm cả phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển MPKĐBNK, tuy nhiên đề tài này chỉ tập trung nghiên cứu phần điều khiển MPKĐBNK Hiện nay đã có nhiều phương pháp điều khiển MPKĐBNK được nghiên cứu như phương pháp tựa theo điều khiển cuốn chiếu (backstepping based) [5], phương pháp tuyến tính hóa chính xác (exact linearzation) [73, 74], phương pháp tựa theo thụ động (passivity based)

và phương pháp tựa phẳng (flatness based) [1] Luận án này sử dụng phương pháp thiết

kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát (hình 1.5) Giá trị đặt tối ưu cho phần điều khiển MPKĐBNK gồm mômen điện từ

Hình 1 5: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

1.3 Yêu c ầu điều khiển trụ lưới

1.3.1 Các s ự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới

Đối với yêu cầu đảm bảo chất lượng của một hệ thống truyền tải và cung cấp điện thì vấn đề sóng hài và dao động điện áp ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà cung cấp cũng như của các hộ tiêu thụ điện

Sự phát triển nhanh chóng của các ngành sản xuất công nghiệp trong đó sử

dụng rộng rãi các thiết bị điện tử công suất lớn như các bộ biến đổi xoay chiều - một chiều, các bộ biến tần, các loại lò điện cùng với các hệ thống điều khiển từ đơn giản đến phức tạp để tạo ra một hệ thống truyền động điện linh hoạt, đáp ứng được các yêu

cầu điều khiển khác nhau và thích ứng cho nhiều loại phụ tải Tuy nhiên, việc sử dụng các thiết bị này cũng tạo ra những thách thức ngày càng to lớn đối với yêu cầu đảm bảo

chất lượng của nguồn điện cung cấp Các thiết bị này tạo nên những phụ tải phi tuyến

và gây ra các thành phần sóng hài trên lưới Những sóng hài này làm cho điện áp lưới

bị méo dạng và gây ảnh hưởng không tốt cho những phụ tải được nối với nó [30, 50, 51,

52, 81] Hiện nay, để khắc phục vấn đề này người ta có thể sử dụng các bộ lọc tích cực thay vì sử dụng các bộ lọc thụ động vốn cồng kềnh và khó đáp ứng cho các dạng sóng hài khác nhau Các ưu điểm cơ bản của bộ lọc tích cực là khả năng bù một số sóng hài

Phương pháp điều khiển tuyến tính [18, 44, 49, 65, 67, 69,

72, 75]]

Phương pháp điều khiển phi tuyến

Cuốn chiếu (backstepping) [5]

Tựa phẳng (flatness based) [1]

Tựa theo thụ động (passivity based)

Tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) [73, 74]]

Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

quan trọng mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính của lưới, đồng thời thích ứng với sự thay đổi của lưới và tải

Trong luận án này tập trung nghiên cứu khắc phục lỗi lưới trong hệ thống lưới phân phối và ảnh hưởng của sóng hài và dao động điện áp trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao chất lượng của hệ

thống

1.3.2 Yêu c ầu trụ lưới

Các hệ thống máy phát sức gió với MPKĐBNK có nhược điểm là rất nhạy đối

với các nhiễu loạn lưới, đặc biệt là khi lỗi lưới Một trong các giải pháp để bảo vệ hệ

thống khi xảy ra lỗi lưới là cắt máy phát ra khỏi lưới Trong trường hợp này, hệ thống không có khả năng khôi phục lại ngay lập tức tình trạng làm việc như lúc trước khi xảy

ra sự cố (phải hòa đồng bộ lại) Mặt khác, việc cắt các máy phát ra khỏi lưới có thể còn làm tồi tệ hơn tình trạng lỗi lưới do việc cắt máy phát có thể gây nên quá trình cân bằng

dẫn đến mất ổn định và hậu quả có thể là rã lưới

Khi tổng dung lượng của các hệ thống máy phát sức gió trên thế giới ngày càng gia tăng một cách đáng kể thì chỉ được phép cắt các máy phát điện sức gió ra khỏi lưới khi thỏa mãn một số yêu cầu cụ thể [34, 89]

Khi hệ thống phân phối bị lỗi lưới sẽ làm gia tăng mạnh dòng điện cân bằng trong các cuộn dây của MPKĐBNK Do liên hệ giữa từ trường stator và rotor, dòng điện lớn này sẽ tác động vào mạch rotor và bộ biến đổi có thể dẫn đến việc phá hỏng

bộ biến đổi nếu không có các biện pháp bảo vệ bộ biến đổi Một nghiên cứu trong [13]

đã chỉ ra rằng khi MPKĐBNK chịu tác động của nhiễu điện áp lưới sẽ gây ra dao động

của từ thông trong máy Khi các nhiễu loạn đó xuất hiện bộ biến đổi sẽ gia tăng điện áp rotor để khống chế dòng điện của nó Khi điện áp yêu cầu vượt quá khả năng giới hạn

của bộ biến đổi thì việc điều khiển dòng sẽ không còn tác dụng [53, 61] Vì vậy, hệ

thống điều khiển cần duy trì làm việc và giảm dao động càng nhiều càng tốt trong suốt

thời gian có lỗi lưới Mặt khác, hệ thống cần phải được tái lập ổn định càng sớm càng

tốt khi hết lỗi lưới [82] Không những thế, các hệ thống điều khiển trong các hệ thống máy phát sức gió hiện tại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình

lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng

1 3.3 Các phương pháp điều khiển trụ lưới

Các gi ải pháp hiện tại:

Giải pháp kinh điển được trình bày trong các tài liệu [15, 58, 61, 68, 77] thường

sử dụng một hệ thống các điện trở tiêu tán có điều khiển với các thyristor được dùng để đóng cắt mạch (được gọi là crowbar) Khi điện áp một chiều trung gian tăng cao hoặc khi điện áp lưới giảm xuống đến một mức nào đó thì hệ thống này tác động Bộ biến đổi phía máy phát sẽ ngừng làm việc và các dây quấn rotor của máy phát được nối kín

mạch qua hệ thống điện trở tiêu tán này Như vậy, trong quá trình lỗi lưới MPKĐBNK được sử dụng như một động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, góp phần tiêu thụ năng lượng gió trên hệ thống điện trở Bản chất của giải pháp này là ngắt chế độ máy phát

Hiện nay, vấn đề khắc phục lỗi lưới không đối xứng trong thực tế vận hành đã

và đang nhận được sự quan tâm, nghiên cứu rộng rãi do lỗi lưới không đối xứng có thể

xảy ra thường xuyên hơn cả lỗi lưới đối xứng Điện áp không đối xứng còn xuất hiện trong các lưới điện yếu ngay cả trong trạng thái làm việc bình thường Trong một số trường hợp, các nhiễu loạn trên lưới hoặc tải không đối xứng cũng làm cho điện áp lưới không còn đối xứng nữa [91] Điều này có thể dẫn tới mất ổn định của hệ thống, ảnh hưởng đến chức năng làm việc của một số thiết bị điện và có thể làm cho hệ thống bảo

vệ mất cân bằng dòng điện tác động [56]

Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi lỗi lưới cũng như khi làm

việc với tải không cân bằng đã được đề cập trong nhiều công trình nghiên cứu Trong tài liệu [11], bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi phía lưới được thực hiện trên trục tọa

độ ứng với thành phần thứ tự thuận Trong khi đó, thành phần thứ tự ngược của điện áp lưới được đưa thêm vào trong thành phần điện áp đầu ra của bộ điều khiển dòng Cách

thức thực hiện bộ điều khiển như đã trình bày còn được gọi là phương pháp sử dụng bộ điều khiển feedforward thành phần điện áp thứ tự ngược Đồng thời, nghiên cứu này còn đưa ra phương pháp sử dụng hai bộ điều khiển dòng được thực hiện trên cả hai hệ

trục tọa độ tương ứng với các thành phần thứ tự thuận và ngược và được gọi là bộ điều khiển vector dòng đối ngẫu Phương pháp này cũng đư ợc đề cập đến trong nhiều tài

liệu nghiên cứu khác, chẳng hạn như trong [6, 21, 64] Các biện pháp khắc phục lỗi lưới không đối xứng sử dụng bộ biến đổi với 4 nhánh van trong hệ thống ba pha 4 dây

cũng được đề cập trong các tài liệu [7, 38] Bộ điều khiển dòng loại này cho phép điều khiển riêng rẽ các thành phần dòng điện thứ tự thuận, ngược và zero dẫn đến việc có

thể loại bỏ được các nhiễu loạn của điện áp do tải không cân bằng gây ra Tuy nhiên,

phương pháp này không áp dụng được cho các hệ thống ba pha không có dây trung tính Một phương pháp khác được cho là có khả năng bù dòng tải phi tuyến và không cân bằng sử dụng bộ lọc tích cực cho điều khiển dòng sin được trình bày trong tài liệu [8]

Nh ững vấn đề còn tồn tại:

Các phương pháp trụ lưới như đã kể trên còn một số nhược điểm như sau:

• Không điều khiển đưa công suất tác dụng về không và không điều khiển công

suất phản kháng bám điện áp lưới trong suốt quá trình lỗi lưới

• Chưa giải quyết triệt để các vấn đề điều khiển bộ biến đổi phía lưới để bù lỗi lưới khi lưới bị sự cố không đối xứng

• Vai trò của bộ biến đổi phía máy phát và phía lưới trong quá trình làm việc bình thường với tải không đối xứng cũng chưa được nghiên cứu một cách hoàn thiện

V ấn đề cần tiếp tục giải quyết:

Nghiên cứu vấn đề trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng hoặc khi hệ thống lưới có nhiều loại tải có các thành phần sóng hài cao

Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và ngược

với các tiêu chí khác nhau cho từng thành phần Với phương pháp này thì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng lưới trên các trục tọa độ quay tương ứng Một bộ điều khiển dòng như

vậy còn được gọi là bộ điều khiển tổng hợp đối xứng (THĐX) và sẽ được trình bày trong chương 3

Hình 1.6 thể hiện một cách vắn tắt các sách lược điều khiển trụ lưới đã đư ợc trình bày trong một số tài liệu nghiên cứu, kể cả phương pháp sử dụng bộ điều khiển THĐX được đề xuất ở trên Các giải pháp theo nhánh (1) của sơ đồ có bản chất là ngắt

chế độ máy phát, còn theo nhánh (2) sẽ cho phép thực hiện các giải pháp trụ lưới khác nhau

Hình 1.6 : Các sách lược trụ lưới

K ết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được các vấn đề sau:

• Tổng quan về các hệ thống biến đổi năng lượng gió

• Đưa ra đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển

• Khái quát các yêu cầu điều khiển trụ lưới nói chung và điều khiển trụ lưới của hệ

thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

• Trình bày và đánh giá các phương pháp điều khiển trụ lưới đã có từ đó đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống phát điện chạy bằng

sức gió

Lỗi lưới đối xứng không đối xứngLỗi lưới

Điều khiển feedforward điện

áp thứ tự ngược [11]

Điều khiển bộ biến đổi 4 nhánh van [7, 38]

Sử dụng bộ lọc tích cực điều khiển dòng sin [8]

Điều khiển vector dòng đối ngẫu [6, 21, 64]]

Sách lược trụ lưới

Sử dụng BNQDA (crowbar) [15, 58, 61, 68, 77]

Điều khiển tổng hợp đối xứng

Chương 2 Mô hình và cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng

thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay [63, 86] Công cụ để chuyển đổi các đại lượng từ một hệ trục tọa độ cố định sang một hệ trục tọa độ quay và ngược lại là các phép biến đổi Clarke và Park [14, 85]

Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lượng ba pha có thể được biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thường được gọi là hệ trục tọa độ quay

dq hai pha Khi đó các tính toán được thực hiện với biên độ và góc pha của chúng trên các hệ trục tọa độ dq này

Đặt ξs là ký hiệu đặc trưng cho các đại lượng ba pha Giá trị tức thời của từng pha, được ký hiệu là ξsa, ξsb, and ξsc thỏa mãn phương trình sau:

( 1200 2400)

2 3

0

ξαβ α β ,ξs abc =(ξsa ξsb ξsc)T Chú ý rằng ξ là s0

thành phần zero được thêm vào để ma trận Tsf có thể nghịch đảo được

Ma trận biến đổi được cho bởi [85]

.2

12

121

2

32

30

2

12

113

Hình 2.1: Bi ến đổi các hệ trục tọa độ

Trong trường hợp tổng quát, nếu αβ là một hệ tọa độ cố định trong mặt

phẳng phức và dq là một hệ tọa độ mới với góc quay θf (xem hình 2.1) thì

ξ = , ξs dq =(ξd ξq)T, và ma trận biến đổi

cos sin

= sin cos

Hình 2.1 biểu diễn các đại lượng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định αβ (trái)

và sự biến đổi giữa các hệ trục αβ và dq (phải)

2.2 Mô hình máy đi ện không đồng bộ nguồn kép

Như đã thảo luận ở trên, với điều khiển dòng của MPKĐBNK sử dụng kỹ thuật điều khiển vector thì cần phải biến đổi các biến sang một hệ tọa độ quay dq Hệ tọa độ này có thể tựa theo vector từ thông stator [44, 65, 67, 70] hoặc với vector điện áp lưới [31, 49, 69, 72] Do MPKĐBNK làm việc song song với lưới nên cần phải có chức năng hòa đồng bộ Vì vậy, việc chọn một hệ trục tọa độ dq với trục d trùng với vector điện áp lưới có thể đem lại một số thuận lợi nhất định [43] Hệ tọa độ như vậy sẽ độc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay [69] Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển

mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép sau này

Các phương tr ình điện áp của stator và rotor có thể được viết như sau:

dt

d R

s s

s s s

s s

Ψ i

dt

d R

r r

r r r

r r

Ψ i

Trong đó, us và ur là các điện áp stator và rotor, is và ir là các dòng điện stator và rotor, R s and R r là các điện trở stator và rotor, Ψs và Ψr là các từ thông stator và rotor Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ

αβ , cố định với stator Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng đó trên hệ tọa độ cố định với rotor

Các từ thông stator và rotor được xác định bởi

m s r r r

m r s s s

L L

L L

i i Ψ

i i Ψ

với L m là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và L s, L r là các điện cảm

của stator và rotor

Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là Lσs và Lσr thì các điện cảm

của stator và rotor được tính như sau

r m r

s m s

L L L

L L L

s s s s s s

j dt

d R

j dt

d R

Ψ

Ψ i u

Ψ

Ψ i u

ω

ω++

++

là tốc độ góc mạch điện rotor và ω là tm ốc độ góc cơ của rotor

Từ (2.5) và (2.6) ta có

s s

m s s

s m r s r s

m r s

m s r r

r

L

L j L

R L L L

L

L L

L R R L dt

d

Ψ u

σσ

2

11

m s s s

s s s

j L

L R L

R dt

d

Ψ i

Ψ u

Trong đó,

r s

m

L L

rd

T L

a i i

T

a T

a dt

di

Ψ+

−+

m rq s r rd s m rq

L

a i T

a T

a i dt

di

Ψ+

u L

a u L

a T

L

sd sq s sd s rd s

m sd

u T

i T

L dt

d

+ Ψ + Ψ

−

sq sq s sd s rq s

m sq

u T

i T

L dt

d

+Ψ

−Ψ

i i

=

= r

−

s s

s m

s s s

m

s m m s

r s

m s

m s

s r

r

T T

L

T T

L

T L

a L

a T

a T a

L

a T L

a T

a T a

1 0

1 0

1 1

= ) (

ωω

ωω

ω

ωω

1 0

0 0

0 1

1 0

0

0

1 0

=

=

r m

r m

r s u

L

a L

a L

a L

a

B B

0001

=

r

2.3 Mô hình phía l ư ới

Mạch điện rút gọn của lưới có thể được biểu diễn trên hình 2.2a Bộ biến đổi phía lưới thường nối với lưới thông qua một bộ lọc gồm điện cảm L c, tụ C f và điện

trở R f Điện trở của cuộn kháng L c được biểu thị bởi R c

Mạch điện tương đương của lưới được biểu diễn trên hình 2.2b

Các phương trình cơ bản sau tương ứng với mạch điện tương đương của lưới như trên h ình 2.2b:

n c c c c c

dt

d L

f n

Trong đó, uc và ic là các điện áp và dòng điện của bộ biến đổi phía lưới, un

và in là điện áp và dòng lưới, if là dòng chảy qua nhánh song song của R f và C f

của bộ lọc

(a)

(b)

Áp dụng các phép biến đổi (2.1) và (2.2) cho các phương trình (2.19) và (2.20)

ta được các phương tr ình sau với các biến trên hệ trục tọa độ dq:

n c c n c c c c

dt

d L

f n

1 1

1

c c c n s n c

n

L j R L

L

j T dt

d

i i

u u

i i

với

c

c c

Viết lại phương trình (2.23) cho các thành phần d và q của các dòng đi ện lưới ta có:

) (

1 1

1

c cd c nq s nd c

nd

i L i

R u L

u L i i

T dt

)(

11

1

c cq c nd s nq c

nq

i L i

R u L

u L i i T dt

nd

u u

u L i i

T dt

di

C

− +

nq

u u

u L i i T dt

di

C

−+

+

1

1 1

2 2 2

2 2 2

f f s

f c s f f c s f f s c

nd

C R

C L C

R R C

R

ωω

1

2 3

f f s

f c s f f c s c nq

C R

C R C

R L

ωω

C

Mô hình không gian trạng thái của lưới có thể được biểu diễn như sau:

n n c c n n

n n

nq nd

cq cd

nq nd

nq nd

2 4 Điều khiển phía máy phát

2.4.1 C ấu trúc điều khiển

Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng (có

thể thông qua điều chỉnh mômen điện T e) và công suất phản kháng Q g (hoặc hệ số công suất cosϕ)

Trong các hệ thống điều khiển máy điện, các bộ điều khiển dòng đóng vai trò

rất quan trọng vì chúng cung cấp vector điện áp cần thiết cho mạch điện tử công suất Hơn nữa, chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của các bộ điều khiển dòng Vì vậy, các hệ thống điều khiển máy điện thường bao gồm một mạch vòng trong với một bộ điều khiển vector dòng ir và mạch vòng ngoài với các biến điều khiển khác

Cấu trúc điều khiển phía rotor của MPKĐBNK trên hình 2.3 được thực hiện như đã trình bày ở trên Trong đó có hai mạch vòng Mạch vòng trong với bộ điều khiển K rc được gọi là mạch vòng điều khiển dòng điện Mục tiêu của việc thiết kế bộ điều khiển dòng K rc là để đạt được tính năng đáp ứng nhanh, bám theo tín hiệu đặt và

bảo đảm tách kênh Mạch vòng điều khiển ngoài với bộ điều khiển K rt được gọi là

mạch vòng điều khiển mômen được thiết kế để bám theo các giá trị tối ưu của tín hiệu vào r rt bao gồm mômen điện từ *

r = * * Trên hình 2.3, G r là mô hình của đối tượng, ( )T

g e

y = là biến đầu ra điều khiển được suy ra từ ( )T

rq rd

i = (xem các công thức (2.31) và (2.32) dưới đây)

bởi khối E rt Trên cơ sở các giá trị đo đạc thực tế của tốc độ gió và các đặc tính của

tuốc bin, các giá trị tối ưu của mômen sẽ được tính toán và đưa ra giá trị đặt r rt cho

phần điều khiển điện tử công suất

Mômen điện từ của MPKĐBNK trong hệ trục tọa độ dq tựa theo điện áp

stator (nghĩa là Ψsd =0), có thể được tính bởi

.2

3

s

m p

L

L Z

Ở đây Z p là số đôi cực của máy

Công suất phản kháng là

.3

=

s

m rq sq sd g

L

L i u

Mặt khác, việc điều chỉnh công suất phản kháng Q g cũng có thể được thực

hiện bằng cách điều chỉnh hệ số công suất ϕg Hệ số này có thể được tính như sau:

=

2 2

sq sd

sq g

i i

i arcsin

+

Các phương trình (2.30), (2.31), và (2.32) chỉ ra rằng mômen điện từ và công

suất phản kháng hay hệ số công suất của MPKĐBNK có thể được điều chỉnh thông qua các thành phần dòng điện rotor i rd và i rq

Chi tiết hệ thống điều khiển kinh điển phía rotor được trình bày trên hình 2.4

PI

Tính mômen và công suất phản kháng

PWM

Bộ điều khiển phía Rotor

Tính góc pha và điện áp stator

-2.4.2 Thi ết kế hệ thống điều khiển phía máy phát

Về mặt bản chất thì mô hình toán của MPKĐBNK là phi tuyến, trong đó các

biến được điều khiển bao gồm dòng điện rotor, từ thông stator và tốc độ góc của rotor Hơn nữa, khi áp dụng nguyên lý điều khiển vector thì các thành phần dòng điện rotor

lại có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau Vì vậy, để đảm bảo chất lượng điều khiển tốt thì bộ biến đổi phía máy phát cần phải được áp dụng một phương pháp điều khiển thích

hợp Đây cũng chính là một trong những vấn đề được nghiên cứu rộng rãi trong những năm vừa qua Hầu hết các nghiên cứu này đều dựa trên cơ sở tuyến tính hóa mô hình

của MPKĐBNK và phân ly các thành phần dòng bằng cách sử dụng các khâu bù chéo

Gần đây đã có m ột số công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến đã góp phần nâng cao hơn chất lượng điều khiển của bộ biến đổi phía máy phát

Trong khuôn khổ của luận án, việc thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp Passivity based (PBC) Chi tiết về phương pháp này được trình bày trong [2]

T ổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i rd trên mi ền liên tục

Để đặt bài toán điều chỉnh thành phần i rd, ta đặt biến PBC

gọi là tín hiệu suy giảm, trong đó D(ω) là hệ số suy giảm

Tín hiệu điều khiển có dạng :

u là điện áp do bộ điều khiển PBC tạo ra

là sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục d giữa giá trị đặt

và giá trị lấy từ bộ điều khiển mô men

Và: