Thiết kế bộ điều khiển cho máy phát điện không đồng bộ rôto dây quấn nguồn kép DFIG của tua bin gió

Hình 1.3 Tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép Hình 1.4.Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển dòng rôto bằng các bộ biến đổi Hình 1.6.Hệ thống má

-

NGUYỄN VĂN MẠNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG

BỘ RÔTO DÂY QUẤN NGUỒN KÉP DFIG CỦA TUA BIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.PGS TS Nguyễn Lân Tráng

NGUYỄN VĂN MẠNH KHÓA 2012A

LỜI CẢM ƠN……… 1

PHẦN MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG 3

1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo 3

1.2 Tổng quan về máy phát điện sức gió và các máy phát điện sức gió thông dụng 3

1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió 3

1.2.2 Các loại máy phát điện sức gió thông dụng 4

1.3 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG 7

CHƯƠNG II MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG 10

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG 10

2.1.1 Cấu tạo của máy phát điện DFIG 10

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện nguồn kép DFIG 12

2.1.3 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG 12

2.1.4 Công suất của DFIG 15

2.1.5 Véctơ không gian 16

2.1.6 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không gian 18

2.2.Mô tả toán học máy phát điện nguồn kép DFIG 18

2.2.1 Mô tả toán học máy phát điện DFIG 18

2.2.3 Mô tả toán học bộ DC-Link 21

2.2.4 Mô tả toán học bộ điều khiển phía lưới (GSC) 22

2.2.5 Mô tả toán học bộ điều khiển phía tua bin (MSC) 23

CHƯƠNG III CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TUA BIN GIÓ DFIG 24

3.1 Cấu trúc tiêu biểu của tua bin gió trục ngang 24

3.2 Cấu trúc cánh quạt và trụ tua bin 25

3.2.1 Cấu trúc cánh quạt 25

3.2.2 Cấu trúc trụ tua bin gió 29

3.3 Tổng quan về bộ điều khiển cho tua bin gió DFIG 30

3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển và biến đổi tần số 32

3.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển phía rôto (RSC) 34

3.3.3 Cấu trúc bộ bảo vệ quá dòng (Crowbar) 36

3.3.4 Cấu trúc bộ điều khiển phía lưới (GSC) 37

3.3.5 Cấu trúc các bộ điều khiển phụ trợ và điều khiển tua bin 38

CHƯƠNG IV MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUA BIN GIÓ SỬ DỤNG PLC S7-300 46

4.1 Tổng quan bộ điều khiển PLC S7-300/400 của Siemens 46

4.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển khả trình PLC 46

4.1.2 Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300/400 của Siemens 48

4.1.3 Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-300 51

4.1.4 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-300 52

4.2 Mạng truyền thông công nghiệp của Siemens 53

4.3 Mô hình mạng DCS điều khiển tua bin gió nối lưới 60

4.3 Thiết lập hệ thống PLC và lập trình PLC cho toàn bộ hệ thống 64

4.3.1 Thiết lập cấu hình PLC trên phần mềm PCS7 64

4.3.2 Lập trình bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm PCS7 65

4.3.3 Thiết lập giao diện HMI trên PCS7 68

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

Kết luận 71

Đề xuất 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Tua bin gió với tốc độ cố định

Hình 1.2.Tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato vàlưới

Hình 1.3 Tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép

Hình 1.4.Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG

Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển dòng rôto bằng các bộ biến đổi

Hình 1.6.Hệ thống máy phát DFIG với bộ biến đổi nguồn

Hình 2.5 Mặt cắt chi tiết của máy điện không đồng bộ rôto dây quấn

Hình 2.6.Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG

Hình 2.7.Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Bảng 2.1.Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG

Hình 2.8.Năng lượng trong máy phát điện DFIG khi bỏ qua tổn thất

Hình 2.9 Nguyên lý của véctơ không gian

Hình 2.10.Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG

Hình 2.11.Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG trong hệ toạ độ không gian véctơHình 2.12.Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian véctơ

Hình 2.13.Mô hình DC-Link

Hình 2.14.Mô hình bộ điều khiển phía lưới (GSC)

Hình 2.15.Mô hình bộ điều khiển phía tua bin (MSC)

Hình 3.1 Cấu trúc các bộ phận của 1 tua bin gió điển hình

Hình 3.2 Kích thước và công suất những lọai tua -bin điện gió đã được sản xuấthàng loạt tính đến năm 2012

Hình 3.3 Cấu trúc lớp vật liệu chế tạo cánh quạt

Hình 3.4 Cánh quạt tua-bin Growian

Hình 3.5.Tiết diện cánh quạt và cấu hình thân cánh

Hình 3.6.Thân trụ làm bằng thép và bê tông

Hình 3.9.Cấu trúc tổng quan bộ điều khiển tua bin DFIG

Hình 3.10.Sơ đồ khối các đối tượng điều khiển tua bin gió DFIG

Hình 3.11.Chế độ điều khiển và biến đổi tần số của DFIG

Hình 3.13.Cấu trúc sơ đồ điều khiển công suất tác dụng của DFIG

Hình 3.14.Cấu trúc bộ điều khiển công suất phản kháng

Hình 3.14.Cấu trúc sơ đồ điều khiển Crowbar

Hình 3.15.Sơ đồ liên kết giữa GSC, DC -Link và RSC

Hình 3.16.Sơ đồ điều khiển GSC với bộ điều khiển PI

Hình 3.17.Mô hình cơ khí và năng lượng của Tua bin gió

Hình 3.18.Nguyên lý bộ điều khiển tốc độ tua bin DFIG

Hình 3.19.Cấu trúc 2 mạch vòng của bộ điều khiển tốc độ tua bin DFIG

Hình 3.20.Nguyên tắc của cơ chế Yawing

Hình 3.21 Nguyên tắc điều khiển của bộ điều khiển góc cánh

Hình 3.22 Nguyên tắc điều khiển của điều khiển rung lắc đột ngột

Hình 3.23.Cấu trúc bộ điều khiển góc cánh tua bin DFIG

Hình 3.24.Cấu trúc bộ điều khiển công suất tác dụng của tua bin DFIG

Hình 4.1.Cấu trúc bên trong của PLC

Hình 4.10.Mô hình mạng DCS của hệ thống điều khiển tua bin gió

Hình 4.11.Tủ PLC tại tua bin 1

Hình 4.12.Thiết lập phần cứng PLC trên phần mềm PCS7

Hình 4.13.Chọn hàm và khối chương trình trên phần mềm PCS7

Hình 4.14 Lập trình cho tua bin 1 bằng ngôn ngữ LAD

Hình 4.16.Bảng tín hiệu PLC

Hình 4.17.Khai báo thẻ trên WinCC

Hình 4.18 Lựa chọn mục thiết kế giao diện HMI

Hình 4.19.Giao diện HMI đối với tua bin 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1.Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân tôi đã nỗ lực hết mình và được

sự hướng dẫn tận tình của các Thầy, C ô trong Bộ môn Hệ thống điện Đặc biệt là

thầy giáo PGS.TS Nguyễn Lân Tráng, Thầy hướng dẫn trực tiếp cho tôi và có

những chỉ dạy, góp ý vô cùng quý báo để giúp t ôi hoàn thành luận văn này

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, trình độ chuyên môn về tin học vàngoại ngữ của bản thân còn hạn chế nên luận văn còn nhiều khuyếm khuyết T ôirất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các th ầy cô, bạn bè và đồng nghiệptrong ngành để luận văn được hoàn thiện và áp dụng vào thực tế hiệu quả

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện-ViệnĐiện, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điềukiện học tập, nghiên cứu cho t ôi trong suốt quá trình thực hiện tại trường !

Tác giả

Nguyễn Văn Mạnh

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội ở ViệtNam đó chính là hệ thống điện lưới Quốc gia Nó có ý nghĩa rất quan trọng songsong với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực an ninh, quốc phòng, sảnxuất, công nghiệp, du lịch Nhu cầu về sản xuất và tiêu thụ điện năng tăng lênngày một rõ rệt

Trong những năm gần đây các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng năng lượngmới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện ở nước ta đang phát triển khámạnh mẽ và rộng khắp Đặc biệt từ lâu con người đã biết sử dụng năng lượng gió

để tạo ra cơ năng thay thế cho sức lao động nặng nhọc, điển hình là các thuyềnbuồn chạy bằng sức gió, các cối xay gió xuất hiện từ thế kỉ XIV Hơn thế nữa từvài chục năm gần đây với nguy cơ cạn kiệt dần những nguồn nhiên li ệu khai thácđược từ lòng đất và vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt hàng ngày một khốilượng lớn các nguồn nhiên liệu hoá thạch

Từ những điều kiện và tình hình thực tế trên việc nghiên cứu, sử dụng cácdạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió lại đượcnhiều nước trên thế giới đặc biệt được quan tâm.Trên cơ sở áp dụng các thànhtựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến thì việc nghiên cứu sử dụng nănglượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn cả về chất lượng các thiết bị v à quy

mô ứng dụng Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sức gió là để tạo ra

hệ thống phát điện và nối lưới hệ thống điện quốc gia Vì vậy đề tài “Thiết kế bộđiều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồnkép DFIG” mang tính cấp thiết và ý nghĩa quan trọng trong điều kiện tình hìnhkinh tế - xã hội ở Việt Nam hiện nay

Đề tài sẽ tập trung vào phân tích bộ điều khiển nối lưới cho tua bin gió sửdụng máy phát điện nguồn kép DFIG và mô hình điều khiển tua bin

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG 1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là 1 nguồn năng lượng sạch, thân thiện và không gây ônhiểm môi trường và được hầu hết các nước trên thế giới đang chú trọng nghiêncứu và đầu tư phát triển về mô hình và qui mô phát triển

Nguồn năng lượng tái tạo rất đa dạng và phong phú như: năng lượng gió,năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Phương phápxây dụng và công ng hệ phát triển nguồn năng lượng tái tạo cũng hoàn toàn khá cnhau như: năng lượng gió sử dụng sức gió để phát điện, năng lượng địa nhiệt sửdụng nguồn nhiệt rất lớn trong lòng trái đất để làm sôi nước và chạy tua bin máyphát, năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra điện, năng lượngthủy triều sử dụng sức nước để làm chạy pit tông máy phát điện…

Ở các nước kinh tế phát triển và đang phát triển đặc biệt các nước có biểntrên thế giới hiện nay, nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hó a thạch(Than, dầu…) người ta đang chú trọng và đầu tư phát triển nguồn năng lượng táitạo đặc biệt là nguồn năng lượng gió

Đối với nước ta đến nay đã và đang xây dựng các trang trại gió sử dụngmáy phát điện sức gió của Mỹ, Nga, Đức trong Ninh Thuận và các tỉnh phíanam Đây là một nguồn năng lượng dồi dào có tính cách mạng trong tương lai vàtrong tình hình kinh tế xã hội ở nước ta

1.2 Tổng quan về máy phát điện sức gió và các máy phát điện sức gió th ông dụng

1.2.1 Tổng quan về máy phát điện sức gió

Máy phát điện sức gió có 02 kiểu chính:

- Máy phát điện sức gió kiểu trục ngang: Đây là loại máy đang được sử dụngphổ biến hiện nay Với cấu tạo là trục quay rôto nằm ngang

- Máy phát điện sức gió kiểu đứng: Đ ây là loại máy ít sử dụng Với cấu tạo làtrục quay rôto thẳng đứng theo phương thân trụ máy phát

Máy phát điện gió với công suất khác nhau từ 1kw tới hàng chục mw Cácmáy phát điện gió có thể hoạt động độc lập hoặc có thể nối với mạng điện quốcgia Các trạm độc lập cần có một bộ nạp, bộ ắc quy và bộ đổi điện Khi dùngkhông hết, điện được tích trữ vào ắc quy Khi không có gió sẽ sử dụng điện phát

ra từ ắc quy Các trạm nối với mạng điện quốc gia thì không cần bộ nạp và ắcquy mà sử dụng máy biến áp kết nối với trạm phân phối và nối lưới hệ thống điệnquốc gia

Các máy phát điện gió có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h) và

tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s ( 90 km/h) Tốc độ gió hiệuqủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện sử dụng

1.2.2 Các loại máy phát điện sức gió thông dụng

Hiện nay trên thế giới có hai loại tua bin gió chính đang được sử dụng trong

hệ thống máy phát điện sức gió đó là:

+ Tua bin gió tốc độ cố định

+ Tua bin gió với tốc độ thay đổi

a Loại tua bin gió với tốc độ cố định

Đây là loại tua bin sử dụng máy điện không đồng bộ Máy phát không đồng

bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên loại máy phát điện này có nhược điểmchính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió.Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:

+ Cánh quạt tua bin: Có nhiệm vụ hứng gió

+ Hộp số: Đây là hộp số của máy phát

+ Máy phát điện IG: Biến động năng của gió thành điện năng

+ Bộ đóng cắt mềm: Đóng cắt trong quá trình hoạt động nối lưới hoặc không nốilưới

+ Hệ thống tụ điện: Là hệ thống tụ điện nối song song với đầu ra máy phát điện.+ Máy biến áp: Biến đổi điện áp lên lưới

Hình 1.1.Tua bin gió với tốc độ cố định

b Loại tua bin gió tốc độ thay đổi

Tua bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: Tua bin gió với tốc độ thay đổi

có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stato và lưới Và tua bin gió sử dụng máy điệncảm ứng nguồn kép (DFIG)

+ Loại tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạchstato của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi đượ c tính toán với công suất địnhmức của toàn tua bin Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rôto lồng sóchoặc đồng bộ

Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:

+ Cánh quạt tua bin: Hứng gió

+ Hộp bánh răng: Đây là hộp số của máy phát

+ Máy phát điện: Biến cơ năng của gió thành điện năng

+ Bộ biến đổi công suất: Bao gồm các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và DC link.+ Máy biến áp: biến đổi điện áp lên lưới

Hình 1.2.Tua bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stato và lưới

+ Loại tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG: Đây là loại máyđiện rôto dây quấn và rôto được nối với lưới điện thông qua một bộ biến đổi điện

áp chỉnh lưu- nghịch lưu

Stato của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thôngqua điều khiển bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu -nghịch lưu phía rôto

Cấu tạo của loại tua bin này bao gồm thành phần chính sau:

+ Cánh quạt tua bin: Hứng gió

+ Hộp số: Biến đổi tốc độ thấp thành cao

+ Máy phát điện DGIG: Máy phát điện nguồn kép

+ Bộ biến đổi công suất: Bao gồm các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu và mạch lọc DC.+ Máy biến áp: Biến đổi điện áp lên lưới

Hình 1.3 Tua bin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép

1.3 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ taphải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió Việc kích từ đượcthực hiện nhờ nguồn điện từ lưới ( trường hợp vận hành có hoà lưới) hoặc nhờnguồn ngoài như: ắc quy, nguồn điện mồi khác để tạo kích từ Đối với hệ thốngphát điện sức gió dùng máy điện cảm ứng nguồn kép (máy điện không đồng bộnguồn kép DFIG) với công suất lớn thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoàlưới, đồng thời năng lượng do tua bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủđộng được nhờ hệ thống điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độquay

Hình 1.4.Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG

Cấu trúc của máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn képDFIG:

+ Cánh quạt tua bin: Có nhiệm vụ hứng gió

+ Hộp số: Biến đổi tốc độ quay chậm thành nhanh

+ Máy phát điện DFIG: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp

+ Bộ điều khiển máy phát: Bao gồm các bộ biến đổi công suất và có nhiệm vụđiều khiển phía máy phát

+ Bộ điều khiển tua bin: Bao gồm các bộ điều khiển công suất, điều khiển gócđón gió của cánh quạt

+ Bộ quản lý hệ thống : đây là bộ quản lý chung toàn bộ hệ thống như trạng thái

hệ thống tua bin, chất lượng điện năng, trạng thái máy biến áp và trạng thái gió.Bên trong bộ điều khiển tua bin có bộ biến đổi cơ khí để điểu khiển mômen hoặc tốc độ của máy phát hoặc hệ số công suất đầu cuối của stato Bộ biếnđổi phía lưới (GSC) có vai trò giữ cho điện áp một chiều DC-link bằng hằng số

Hình 1.5.Sơ đồ điều khiển dòng rôto bằng các bộ biến đổi

Hình 1.6.Hệ thống máy phát DFIG với bộ biến đổi nguồn

CHƯƠNG II

MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIG

2.1.1 Cấu tạo của máy phát điện DFIG

Cấu tạo của máy phát điện không đồng bộ DFIG gồm 02 phần chính làstato và rôto Ngoài ra có các bộ phận khác như: Vỏ máy, nắp máy và trụcmáy.Trục máy được làm bằng thép trên đó có gắn ổ bi hoặc bạc lót

a.Stato

Stato có chức năng tạo ra điện thế xoay chiều 3 pha nhờ sự thay đổi từthông khi rôto quay Các thành phần chính của stato: Lõi stato, cuộn dây stato,đầu ra, thân và nắp máy

+ Lõi thép stato: được ép bằng các lá tôn silic dầy 0,5 mm, hai mặt có phủ sơncách điện Dọc chiều dài lõi thép cứ khoảng 3 ÷ 6 cm lại có một rãnh thông gióngang trục rộng 10 mm

+ Nắp máy được chế tạo từ thép tấm hoặc gang đúc Ở các máy công suất trungbình và lớn, ổ trục đặt ở giá đỡ ổ trục riêng cố định trên bệ máy

Nhiệt sinh ra lớn nhất ở stato so với các thành phần khác của máy phát vìvậy dây quấn phải phủ lớp cách điện chịu nhiệt rất tốt

+ Cuộn dây stato có thể mắc theo hai cách sau:

- Cách mắc kiểu hình sao: Cho ra điện áp cao, được sử dụng phổ biến

- Cách mắc kiểu tam giác: Cho ra dòng điện lớn

b Rôto

Rôto có chức năng : Tạo ra từ trường và xoay để tạo ra sứ c điện động trongcuộn dây stato Các thành phần chính: Lõi thép rôto, cuộn dây rôto (Cuộn kíchtừ)

+ Lõi thép rôto làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hìnhtrụ, sau đó gia công phay rãnh để đặt dây quấn kích từ, phần không phay rãnhlàm thành mặt cực từ.

+ Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rôto, được chế tạo từ dây đồng tiết diện hìnhchữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây đượccách điện với nhau bằng các vật liệu cách điện như mica, giấy cách điện….Hai đầu của cuộn dây kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vòng trượt ởđầu trục, thông qua hai chổi than điện để đưa dòng kích từ vào Dòng kích từđược cung cấp từ hệ thống kích thích

Hình 2.5 Mặt cắt chi tiết của máy điện không đồng bộ rôto dây quấn

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện nguồn kép DFIG

Đưa 01 dòng kích từ vào dây quấn rôto của máy phát sẽ sinh ra từ trườngđều, khi gió làm quay cánh quạt tức làm rôto quay, thì từ trường đều sẽ quét lêndây quấn stato, trên dây quân stato sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng Nối dâyquấn stato với phụ tải (Hoặc nối lưới) thì trong dây q uấn stato sẽ xuất hiện dòngđiện Biên độ của điện áp stato phụ thuộc độ lớn của dòng kích từ Tần số điện ápstato phụ thuộc tốc độ quay của rôto

2.1.3 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG được trình bày như hình2.6 Đây là trường hợp mạch điện đấu hình Y, tuy nhiên nếu đấu hình ∆ chúng tacũng có thể chuyển về hình Y tương đương và tính toán tương tự

Hình 2.6.Sơ đồ thay thế tương đương cho máy điện DFIG

Hình 2.7.Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Áp dụng định luật định luật Kirhoff 2 cho 3 vòng ta được:

Từ trường mạch từ, từ trường của stato và rôto được xác định như sau:

s

Máy công suấtnhỏ

Bảng 2.1.Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG

2.1.4 Công suất của DFIG

Công suất biểu kiến của stato (Ss) và của rôto (Sr) được xác định bằngcách tính cho 1 pha sau đó nhân 3 (tính chất đối xứng):

Nếu bỏ qua tổn thất, công suất từ hoá được xem như tổng công suất stato vàrôto:

Hình 2.8.Năng lượng trong máy phát điện DFIG khi bỏ qua tổn thất

Chúng ta dễ dàng thấy rằng năng lượng stato và rôto có liên hệ chặt chẽ vớinhau thông qua độ trượt s (Pr ≈ −sPs)

2.1.5 Véctơ không gian

Ý tưởng của việc sử dụng véctơ không gian là để mô tả máy điện cảm ứngbằng hai pha, thay cho việc sử dụng 3 pha Cuộn dây 3 pha của stato được cungcấp một dòng điện 3 pha sẽ sinh ra từ trường quay Từ trường quay này có thểđược hình thành chỉ với 2 pha Đây chính là nguyên lý của phương pháp véctơkhông gian

Hình 2.9 Nguyên lý của véctơ không gian

Trong đó:  là góc dịch pha:

1 1

d dt



 =

Do vậy khi chuyển từ hệ toạ độ véctơ sang hệ toạ độ đồng bộ (hệ toạ độ dq)

có mối liên hệ sau:

1

- j s jf

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

Công suất tác dụng P được tính bởi công thức:

2.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN NGUỒN KÉP DFIG

Hình 2.10.Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG

Bộ biến đổi điện áp (BBC) gồm bộ biến đổi phía lưới (GSC) và bộ biến đổiphía máy phát (MSC)

Hơn nữa giữa GSC và lưới có đặt một bộ lọc LC nhằm lọc bớt những sónghài bậc cao gây ra bởi GSC

2.2.1 Mô tả toán học máy phát điện DFIG

Hình 2.11 trình bày sơ đồ thay thế tương đương dạng gần đúng của DFIGđược mô tả trong hệ toạ độ không gian véctơ của stato Chữ s có nghĩa là khônggian véctơ được tham chiếu đến stato của DFIG

Hình 2.11.Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG t rong hệ toạ độ không gian véctơTrong đó: Rs là điện trở cuộn dây stato; LM là điện cảm từ hóa; LϬ là điệncảm stato và rôto được quy về stato; RR là điện trở rôto qui về stato Chữ s cónghĩa là không gian véctơ được tham chiếu đến stato của DFIG.

Viết phương trình Kirhoff cho 2 mạch vòng:

L , L :Điện cảm stato, rôto

Zp:Số đôi cực từ của máy phát

Te:Mô men điện từ

Ts: Mô men cơ trên trục rôto

2.2.2 Mô tả toán học bộ lọc phía lưới

Bộ lọc gồm điện trở Rfvà điện cảm Lf, sơ đồ thay thế như hình vẽ

Hình 2.12.Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian véctơ

Từ sơ đồ thay thế, viết phương trình Kirhoff 2 trong hệ toạ độ dq, ta được:

Trong đó:

Eg: Điện áp phía lưới

if: Dòng điện chạy qua bộ lọc

uf: Điện áp đặt lên bộ lọc (điện áp ra của bộ GSC)

2.2.3 Mô tả toán học bộ DC-Link

Mô hình của bộ DC-Link được trình bày như sau:

Hình 2.13 Mô hình DC-LinkNăng lượng Wdc được lấy trên tụ C và được tính bằng biểu thức sau:

2 dc

2.2.4 Mô tả toán học bộ điều khiển phía lưới (GSC)

Mô hình của bộ điều khiển phía lưới (GSC) được trình bày như hình 2.14.Chúng được cấu tạo bởi các t ranzitor công suất Các tranzitor này sẽ đóng mởtheo một quy luật nhất định phụ thuộc vào tín hiệu vào của bộ điều khiển

Các điện áp uas,ubs,ucscó thể được viết như sau:

2.2.5 Mô tả toán học bộ điều khiển phía tua bin (MSC)

Hình 2.15.Mô hình bộ điều khiển phía tua bin (MSC)Các điện áp Uar,Ubr,Ucrcó thể được viết như sau:

Usmax,ω1,ψLần lượt là biên độ điện áp r ôto; tần số góc của dòng điện rôto

và pha ban đầu của điện áp pha a phía rôto

CHƯƠNG III CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TUA BIN GIÓ DFIG

3.1 Cấu trúc tiêu biểu của tua bin gió trục ngang

Cấu trúc tiêu biểu của tua bin gió trục ngang đang sử dụng trên thế giới và ởViệt Nam như hình ảnh sau:

Hình 3.1 Cấu trúc các bộ phận của 1 tua bin gió điển hình

• Cảm biến gió: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộđiều khiển chính

• Cánh tua bin: Bộ phận tiếp nhận cơ năng của gió

• Phanh: Bộ hãm Dùng để dừng rôto trong tình trạng khẩn cấp như quá tốc,dừng khẩn cấp hay lỗi điện, cơ khí và được phanh bằng điện

• Bộ điều khiển: Bộ điều khiển sẽ điều khiển tua bin

• Hộp số: Là h ộp bánh răng Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp với trục

có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 – 60 vòng/phút tới 1200-1500vòng/phút

• Máy phát điện: Máy phát điện sẽ sinh ra điện năng

• Trục tốc độ cao: Trục rotô của máy phát

• Trục tốc độ thấp: Trục rôto của tua bin

• Thùng tua bin: Là vỏ tua bin chứa các bộ phận khác như máy phát, hộp số,

tủ điện… và vỏ được đặt trên đỉnh trụ của tu bin Dùng để bảo vệ các bộphận bên trong

• Góc cánh: Bao gồm các bước răng Cánh được làm nghiêng một góc  đểhứng cơ năng của gió tốt nhất Góc cánh quạt điều chỉnh được

• Rôto: Trục rôto bao gồm trục lai với cánh quạt và bánh răng gắn trên trục.

• Thân trụ: Trụ đỡ Được làm từ thép hình trụ hoặc hoặc bê tông.

• Cảm biến hướng gió : Xác định hướng gió và kết nối với động cơ quay tua

bin để định hướng gió quay thùng tua bin

• Động cơ quay tua bin: Dùng để giữ rôto luôn luôn hướng về hướng gió khi

có sự thay đổi hướng gió

3.2 Cấu trúc cánh quạt và trụ tua bin

3.2.1 Cấu trúc cánh quạt

Khi một khối khí thổi vào tua bin gió làm cánh quạt quay, năng lượng củagió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng Nguồn năng lượng mà gió chuyển vàocánh quạt phụ thuộc vào tốc độ gió , mật độ không khí và diện tích mặt đón giócủa cánh quạt

Động năng E sẽ là:

2

1 2

E = m v

Trong đó:

E: Động năng của năng lượng gió (Nm)

m: Khối lượng của không khí ( kg)

v: Tốc độ gió ( m/s).

Khi tua bin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu đượckhông bị thất thoát là P, mật độ ρ của không khí không thay đổi, áp suất phíatrước và sau cánh quạt không khác biệt thì tua bin điện gió chỉ có thể thu được từcánh quạt với hệ số công suất C p tối đa là:

Công suất P máy của tua bin được tính như sau :

31

( ) 2

Hình 3.2 Kích thước và công suất những lọai tua -bin điện gió đã được sản

xuất hàng loạt tính đến năm 2012Cánh quạt điện gió khi thiết kế phải đáp ứng nguyên tắc khí động lực học vàđịnh luật Betz để tạo được công suất cao ổn định, kể cả ở tình trạng điều chỉnh sốvòng quay của hệ thống cánh rôto cũng như những yếu tố chi tiết khác như độ ồnphát sinh, tần số rung khi hoạt động

Cấu trúc cánh quạt sử dụng vật liệu phải đảm bảo độ bền cơ học, khả năngchống ăn mòn, tác động nhiệt…

Hình 3.3 Cấu trúc lớp vật liệu chế tạo cánh quạt

Hình 3.4 Cánh quạt tua-bin GrowianViệc chọn lựa vật liệu cánh quạt được dựa trên kinh nghiệm chế tạo cánhmáy bay Độ bền vật liệu và khả năng sản xuất là những yếu tố chính.

Cấu hình cánh quạt tùy theo công nghệ và việc chọn lựa vật liệu nên cóthiết kế khác nhau nhưng phần lớn dựa trên kinh nghiệm cấu hình chế tạo cánhmáy bay như của Hội đồng tư vấn hàng không NACA-Mỹ hoặc Viện khí độnglực học Nga với cấu hình TsAGI hoặc những viện nghiên cứu khác cũng nhưkhoa học khí động lực học,thí dụ như cấu hình FX (Franz Xaver Wortmann), cấuhình YH (Clark Profile), cấu hình (Horstmann/Quast)v.v…

Hình 3.5.Tiết diện cánh quạt và cấu hình thân cánh

3.2.2 Cấu trúc trụ tua bin gió

Trụ của tua bin là phần có trọng tải cao nhất của tua bin gió Tùy theo loại,công suất và địa điểm lắp đặt mà tua bin gió có chiều cao khác nhau, kết cấu vậtliệu khác nhau

Chiều cao thân trụ tua bin gió có 2 loại như sau:

+ Loại trụ thấp: lắp đặt ven biển và ngoài khơi Hệ số tỉ lệ so với cánhquạt 1,0 đến 1,4

+ Loại trụ cao: lắp đặt trên đồi núi hoặc nơi xa biển Hệ số so với cá nhquạt 1,2 đến 1,8

Thân trụ của tua bin gió được thiết kế dạng hình chóp cụt và được làm bằngthép hoặc kết cấu bê tông theo dạng mô đun

Hình 3.6.Thân trụ làm bằng thép và bê tông

3.3 Tổng quan về b ộ điều khiển cho tua bin gió DFIG

Trong tua bin gió DFIG stato của tua bin gió nối trực tiếp với sơ cấp củamáy biến áp, trong khi đó rôto của tua bin nối với bộ biến đổi năng lượng, bộbiến đổi năng lượng này kiểm soát và điều khiển năng lượng phía tua bin và nănglượng phía lưới

Các tua bin gió DFIG có thể hoạt động ở 2 chế độ là chế độ đồng bộ từngphần và chế độ đồng bộ hoàn toàn

Các bộ phận cơ bản của tua bin gió DFIG bao gồm: máy phát điện và cáchộp số, điều khiển cánh quạt tua bin, bộ chuyển đổi phía lưới với tụ DC-link, bộđiều khiển góc và bộ điều khiển bên cánh quạt Công suất tác dụng và công suấtphản kháng được điều khiển bởi bộ điều khiển phía tua bin, trong khi đó bộ điềukhiển phía lưới được dùng để điều khiển DC -link

Phương pháp điều khiển tua bin gió DFIG bao gồm các mô đun điều khiểnsau:

+ Modul điều khiển góc cánh tua bin

+ Modul điều khiển phía máy phát DFIG (RSC)

+ Mô đun điều khiển tốc độ rôto và công suất.

+ Mô đun điều khiển công suất phản kháng Q

+ Tủ điện đấu nối trung gian

Hình 3.9.Cấu trúc tổng quan bộ điều khiển tua bin DFIG

Hình 3.10.Sơ đồ khối các đối tượng điều khiển tua bin gió DFIG

3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển và biến đổi tần số

Máy phát điện DFIG của tua bin gió hoạt động trong chế độ máy phát ở tốc

độ dưới đồng bộ và siêu đồng bộ , ở phạm vi tốc độ này máy phát DFIG sẽ đượckiểm soát về tốc độ và điện áp bằng bộ điều khiển và biến đổi tần số rôto Cáccuộn dây của rôto được cung cấp nguồn từ bộ chuyển đổi điện áp kết nối cầu với

chống lại hiện tượng dòng điện cao bất thường trong lưới Ngoài ra có 1 mạchngắt xung (Chopper) nối song song với DC-link khi hiện tượng đó xảy ra.

Hình 3.11.Chế độ điều khiển và biến đổi tần số của DFIG