Điều khiển độc lập công suất p, q và công suất cực đại của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1987 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện MSHV: 11180123 I - TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản

lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1987 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện MSHV: 11180123

I - TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT P, Q VÀ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện gió nguồn kép bằng phương pháp DPC kết hợp với phương pháp dò tìm công suất cực đại của máy phát điện gió trong điều kiện tốc độ gió thay đổi

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 10 tháng 02 năm 2014

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 20 tháng 06 năm 2014

V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành

thông qua CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS Phạm Đình Trực

đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Những ý kiến đóng góp quý báu, những khích lệ tinh thần của thầy đã giúp tôi khắc phục những thiếu sót để hoàn thành luận văn

Luận văn này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Phòng Quản lý và Đào tạo Sau đại học, bộ môn Hệ thống Điện Tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô đã tạo điều kiện để em hoàn thành chương trình đào tạo

Tôi rất cảm kích với sự cộng tác của các anh chị học viên lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khóa 2011 đã có những cộng tác, những đóng góp

ý kiến trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Xin cám ơn đến gia đình và người thân đã ủng hộ và động viên trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận văn

Kính chào

Tóm tắt luận văn

Năng lượng gió là năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và được hứa hẹn sẽ đứng đầu trong những nguồn năng lượng sạch trong tương lai gần Trong số các máy phát điện khác nhau dùng để chuyển đổi năng lượng gió, máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) đã thu hút sự chú ýnhiều hơn do có thể hoạt động ở tốc độ gió thay đổi, hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao hơn và cải thiện chất lượng điện năng Hệ thống DFIG

có bộ chuyển đổi back – to – back, một bên ở phía rotor và một bên ở phía stator Hai

bộ chuyển đổi hoạt động như một giao diện theo dõi hoạt động tối ưu giữa các máy phát điện và lưới điện hoặc tải khác Để đạt được công suất đầu ra mong muốn, phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) được dùng để điều khiển công suất đầu ra của máy phát điện gió Trong phương pháp này, vector điện áp stator được dùng để điều khiển từ thông rotor thông qua bộ biến tần 2 bậc, qua đó, điều khiển công suất thực và công suất phản kháng của stator

Để đạt được hiệu quả cao trong các hệ thống năng lượng gió, phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) trong điều kiện vận hành ở tốc độ gió thay đổi đã được áp dụng trong các máy phát điện gió nguồn kép Hầu hết các phương pháp MPPT đều dựa vào đo lường tốc độ gió hoặc dựa vào các ước tính phức tạp và tính toán trực tiếp Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn kém do cần cảm biến tốc

độ gió hoặc thiếu chính xác do sự thay đổi của mô hình hệ thống turbine gió

Luận văn này đề xuất phương pháp tự điều chỉnh MPPT dựa trên đường đặc tính công suất và tính toán công suất tối ưu cho máy phát điện gió Đường đặc tính công suất này là một hàm số diễn tả mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất đầu ra của wind turbine Công suất này được đưa vào giá trị tham chiếu trong bộ điều khiển DPC

để điều khiển công suất thực và phản kháng của máy phát điện gió để cung cấp cho lưới điện

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Thống kê việc sử dụng năng lượng tái tạo năm 2010 của IRENA

Hình 1.2: Tiềm năng của ngành năng lượng tái tạo (IRENA)

Hình 1.3: Thống kê sản lượng năng lượng gió lắp đặt hàng năm (1996 - 2013)

Hình 1.4: Thống kê sản lượng từng năm trên toàn cầu (1996 – 2013)

Hình 1.5: Bản đồ năng lượng gió nước Đức dự tính trong tương lai

Hình 1.6: Bản đồ phân bố gió tại Việt Nam ở độ cao 60m và 80

Hình 1.7: Máy phát điện gió trục ngang và máy phát điện gió trục dọc

Hình 2.1: Mô hình hoàn lưu khí quyển

Hình 2.2: Sự phát triển về kích thướccủa Turbine gió

Hình 2.3: Đường đặc tính công suất

Hình 2.4: Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh 

Hình 2.5: Một số loại turbine gió

Hình 2.6: Phân bố lực trên cánh quạt

hình 2.7: Điều chỉnh góc pitch

Hình 2.8 : Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ

Hình 2.9: Turbine tốc độ gió cố định với SCIG

Hình 2.10: Cấu hình Turbine gió với DFIG

Hình 2.11: Dòng chảy công suất trong máy phát điện gió DFIG

Hình 2.12: Turbine gió không đồng bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG)

Hình 2.13: Turbine gió có bộ chuyển đổi công suất toàn phần

Hình 3.1: Hệ trục tọa độ 

Hình 3.2 : Sơ đồ đấu dây của cuộn dây stator và rotor, Y- Y

Hình 3.3 : Mối quan hệ giữa các đại lượng trong hệ trục  và dq

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

Hình 3.5: Mô hình máy phát điện gióDFIG

Hình 3.6 : Mô hình turbine gió của DFIG

Hình 3.7: Mô hình máy phát DFIG

Hình 3.8: Mô hình chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang dq

Hình 3.9: Khối chuyển hệ trục tọa độ dq sang abc

Hình 3.10: Khối máy phát điện

Hình 3.11: Khối ước lượng từ thông

Hình 4.1: Sơ đồ tương đương của DFIG trong hệ quy chiếu rotor

Hình 4.2: Mối quan hệ vector từ thông stator và rotor trong hệ quy chiếu rotor

Hình 4.3: Bộ biến tần 2 bậc

Hình 4.4: Vector không gian điện áp và điều khiển từ thông dùng vector điện áp

Hình 4.5: Điều khiển trễ công suất thực và công suất phản kháng

Hình 4.6: Sơ đồ đề xuất điều khiển DPC của DFIG

Hình 5.1: Sơ đồ khối điều khiển tối ưu tỷ số đầu cánh

Hình 5.2: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển công suất tối ưu bằng tín hiệu hồi tiếp công suất

Hình 5.3: Đường công suất của turbine gió Vestas 80 – 2.0MW

Hình 5.4: Công suất đầu vào tương ứng với tốc độ gió dưới danh nghĩa (12m/s) và trên giá trị danh nghĩa Hình 5.5: Mô hình mô phỏng phương pháp DPC kết hợp với phương pháp MPPT

Hình 5.6: Khối tính toán  turb_opt Hình 6.1: Đồ thị vận tốc gió thay đổi theo thời gian

Hình 6.2: Công suất thực của stator

Hình 6.3: Công suất phản kháng của turbine

Hình 6.4: Vận tốc của turbine

Hình 6.5: Dòng điện stator

Hình 6.6: Dòng điện rotor

Hình 6.7: Moment điện từ của máy phát điện

Hình 6.8: Biểu đồ vận tốc gió được giả định

Hình 6.9: Công suất stator và công suất đặt

Hình 6.10: Tốc độ của turbine

Hình 6.11: Công suất điện từ của turbine

Hình 6.12: Dòng điện stator

Hình 6.13: Dòng điện rotor

Hình 6.14: Điện áp một chiều DC link

Hình 6.15: Công suất của bộ chuyển đổi công suất phía rotor

Hình 6.16: Giá trị tham chiếu của Ps đối với  opt

Hình 6.17: Công suất của stator theo thời gian

Hình 6.18: Điện áp dc và giá trị tham chiếu

Hình 6.19: Công suất cơ của turbine

Hình 6.20: Điện áp Rotor

Hình 6.21: Dòng điện stator

Hình 6.22: Tốc độ của turbine

Hình 6.23: Moment điện từ của turbine Hình 6.24: Biểu đồ công suất đặt dựa vào giá trị tính toán tối ưu công suất của turbine

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Kết quả khảo sát tốc độ gió tại một số địa phương

Bảng 4.1:Tác động của vector điện áp lên công suất thực và công suất phản

kháng (: công suất tăng, : công suất giảm)

Bảng 4.2: Bảng đóng cắt tối ưu

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CÁC TỪ VIẾT TẮT

BDFIG Brushless Double Fed Induction Generator

IRENA International Renewable Energy Agency

KÝ HIỆU

v as , v bs , v cs , v ar , v br , v cr điện áp stator và rotor

i as , i bs , i cs , i ar , i br , i cr dòng điện stator và rotor

 as , bs,cs, ar, br, cr Từ thông stator và rotor

v  s ,v s , v  r ,v  r điện áp stator và rotor theo trục, 

i  s ,i s , i  r ,i  r dòng điện stator và rotor theo trục, 

  s , s ,   r,  r từ thông stator và rotor theo trục, 

v ds ,v qs , v dr ,v qr điện áp stator và rotor theo trục d, q

i ds ,i qs , i dr ,i qr dòng điện stator và rotor theo trục d, q

 ds , qs ,  dr, qr từ thông stator và rotor theo trục d, q

u s ,U dc điện áp lưới và điện áp dc – link

R s ,Rr điện trở dây quấn stator và rotor

L ls ,Llr điện cảm tản stator và rotor

P s ,Qs công suất tác dụng và phản kháng stator

MỤC LỤC

Tóm tắt Luận văn i

Danh sách các hình ii

Danh sách các bảng iv

Thuật ngữ viết tắt v

Mục lục vii

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu nguồn năng lượng gió 1

1.1.1 Tổng quan về ngành năng lượng tái tạo 1

1.1.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam 4

1.1.3 Các loại turbine gió 6

1.2 Ý nghĩa và tính cấp thiết của luận văn 7

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 8

1.4 Phạm vi nghiên cứu 8

1.5 Phương pháp nghiên cứu 8

1.6 Điểm mới của luận văn 8

1.7 Bố cục của luận văn 9

Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 Khái niệm cơ bản về năng lượng gió 10

2.1.1 Sự hình thành gió 10

2.1.2 Wind turbine 10

2.1.3 Số cánh quạt của turbine 12

2.1.4 Những nguyên tắc điều khiển máy phát 14

2.1.5 Hộp số 16

2.2 Máy phát điện 17

2.2.1 Máy phát điện hoạt động ở tốc độ cố định 17

2.2.2 Máy phát điện hoạt động ở tốc độ thay đổi 18

Chương 3: MÔ HÌNH ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG 3.1 Mô hình hệ thống máy phát điện gió DFIG 23

3.1.1 Hệ tọa độ cố định stator – hệ trục tọa độ  23

3.1.2 Hệ quy chiếu quay – hệ trục tọa độ dq 26

3.1.3 Mô hình bộ của DFIG trong hệ tọa độ dq 27

3.1.4 Phương trình vi phân biểu diễn trạng thái của DFIG 29

3.2 Mô hình mô phỏng máy phát điện gió DFIG trong Matlab/simulink30 3.2.1 Mô hình khối turbine gió 31

3.2.2 Mô hình máy phát (Generator) 32

3.3 Thông số máy phát điện DFIG 2.0 MW 37

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP P, Q BẰNG PHƯƠNG PHÁP DPC 4.1 Giới thiệu 39

4.2 Phương trình động học trong hệ quy chiếu rotor 39

4.3 Điều khiển từ thông rotor dùng vector điện áp 43

4.4 Điều khiển trực tiếp công suất thực và công suất phản kháng 44

4.4.1 Tác động của từ thông rotor đến P, Q 44

4.4.2 Ước lượng từ thông stator 46

4.4.3 Điều khiển trực tiếp công suất P, Q 47

4.5 Bộ điều chỉnh PID Anti – windup 48

4.6 Bộ chuyển đổi công suất Back-to-back Converter (AC-DC-AC) 49

4.6.1 Mô hình Converter kết nối rotor máy phát với lưới 49

4.6.2 Phương pháp điều chế độ rộng sin (PWM) 51

4.7 Mô hình bộ điều khiển trong Matlab/Simulink 53

Chương 5: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT (DPC)

5.1 Phương pháp dò tìm công suất cực đại (MPPT) 55

5.1.1 Phương pháp điều khiển góc Pitch 55 5.1.2 Phương pháp điều khiển dựa vào tỷ số đầu cánh (TSR) 55 5.1.3 Phương pháp sử dụng tín hiệu hồi tiếp công suất 56 5.2 Kết hợp phương pháp dò tìm công suất cực đại và điều khiển trực

tiếp công suất để điều khiển P, Q .57 5.2.1 Điều khiển P, Q dựa vào đường cong công suất 57 5.2.2 Điều khiển P, Q dựa vào tính toán công suất tối ưu của turbine

mô phỏng phương pháp DPC kết hợp với MPPT bằng phương pháp tính toán công suất tối ưu của turbine 70

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 75

7.1 Kết

luận 75 7.2 Hướng

phát triển của đề tài 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1: Giới thiệu

1.1.1 Tổng quan về ngành năng lượng tái tạo

Vào cuối những năm 70 của thế kỷ XX, cuộc khủng hoảng năng lượng dầu

mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió Những năm về sau, rất nhiều chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức [1] được thành lập nhằm thúc đẩy việc sử dụng cho năng lượng tái tạo trên toàn cầu Bảng đồ năng lượng dự tính đến năm 2030 do cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế IRENA cho thấy tiềm năng của ngành năng lượng tái tạo [2]

Từ hai hình 1.1 và 1.2 dưới đây, cho thấy năng lượng tái tạo toàn cầu sẽ tăng trưởng gần như tuyệt đối 110% Để tăng gấp đôi thị phần của năng lượng tái tạo, cần phải tập trung vào lĩnh vực hóa thạch, đồng thời, sinh khối sẽ tiếp tục là nguồn lớn nhất của năng lượng tái tạo năm 2030

Hình 1.1: Thống kê việc sử dụng năng lượng tái tạo năm 2010 của IRENA [1]

Chương 1: Giới thiệu

Hình 1.2: Tiềm năng của ngành năng lượng tái tạo (IRENA)[1]

Mặc dù được chú ý cách đây hơn 40 năm nhưng nó thực sự phát triển mạnh

mẽ từ năm 2001 với số lượng và sản lượng tăng lên đáng kể [2]

Hình 1.3: Thống kê sản lượng năng lượng gió lắp đặt hằng năm (96 –13)

Hình 1.4: Thống kê sản lượng từng năm trên toàn cầu (1996 – 2013)

Chương 1: Giới thiệu

Theo báo cáo của IRENA, các quốc gia có sản lượng lắp đặt mới với số lượng lớn trong năm 2013 là Trung Quốc (16.088 MW, chiếm 45,6%), Đức (3.238 MW, chiếm 9,2%), Anh (1.883 MW, chiếm 5,3%)… Tương ứng với sản lượng lắp đặt mới và hệ thống đã có, các quốc gia có sản lượng công suất cao là: Trung Quốc (91.412 MW, chiếm 28,7%), Mỹ (61.091 MW, chiếm 19,2%), Đức (34.250 MW, chiếm 10,8%)…, đặc biệt, Đan Mạch với sản lượng 4.772 MW đã chiếm 33,8% điện năng tiêu thụ đến từ các turbine gió, và đạt kỷ lục sản xuất 57,4% điện năng cho nước này trong tháng 12/2013

Nước CHLB Đức đã đưa ra kịch bản sử dụng 100% năng lượng tái tạo vào năm 2050 như sau:

Hình 1.5: Bản đồ năng lượng gió nước Đức dự tính trong tương lai

Kể từ sau sự cố nhà máy điện Fukushima ở Nhật Bản năm 2011, CHLB Đức quyết định đóng cửa tất cả những nhà máy điện nguyên tử vào năm 2022, thay vào đó, nước này phát triển mạnh mẽ năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió

Chương 1: Giới thiệu

1.1.2 Tiềm năng điện gió của Việt Nam

Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ Dù được đánh giá là nguồn năng lượng có tiềm năng đáng kể, có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, nhưng năng lượng gió ở nước ta hiện chưa phát triển, chỉ mới đang ở giai đoạn nghiên cứu ứng dụng Vẫn còn thiếu nhiều điều kiện để thu hút đầu tư vào ngành công nghiệp này

Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau Theo nghiên cứu của Ngân hàng thế giới, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60 - 100m từ phía tây Hàm Tiến đến Mũi

Né (Bình Thuận) Vùng này không những có vận tốc gió trung bình lớn, mà còn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 - 7 m/giây, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW Ở cả hai khu vực này, dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng đặc biệt khó khăn của Việt Nam

Ngoài ra, các vùng đảo ngoài khơi như Bạch Long Vĩ, đảo Phú Quý, Trường Sa là những địa điểm gió có vận tốc trung bình cao, tiềm năng năng lượng gió tốt, có thể xây dựng các trạm phát điện gió công suất lớn để cung cấp năng lượng điện cho dân cư trên đảo

Theo số liệu, tiềm năng gió của Việt Nam (trên độ cao 65 mét) rất khả quan, ước đạt 513.360 MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La

và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020 Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng lý thuyết, tiềm năng có thể khai thác được

và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều Song đây sẽ là một nguồn

Chương 1: Giới thiệu

năng lượng tiềm năng đáng kể, có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Bản đồ phân bố năng lượng gió tại Việt Nam được tạp chí AWS TruePower thực hiện năm 2010 bằng phần mềm “MesoMap” [4] Hệ thống này được phát triển để lập bản đồ tài nguyên gió của khu vực lớn ở một độ cao nhất định với độ chính xác cao Kết quả mô phỏng của mô hình này có thể sai lệch từ 5-8% so với tốc độ và hướng gió thực nên không thể dựa vào Bản đồ phân bố gió để dự đoán sản lượng điện hằng năm cho một cánh đồng điện gió Tuy nhiên, đây là một nguồn tin quan trọng vì nó cung cấp cho các nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể về những địa điểm có tiềm năng gió cao thích hợp để xây dựng nhà máy điện gió Bản đồ phân bố gió ở độ cao 60m và 80m ở Việt Nam như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 1.6: Bản đồ phân bố gió tại Việt Nam ở độ cao 60m (hình a) và 80m (hình b)

Bảng 1.1: Kết quả khảo sát tốc độ gió tại một số địa phương

trạm

Độ cao cảm biến (m)

Quan sát 80m wsp (m/s)

Dự đoán 80m wsp (m/s)

1.1.3 Các loại Turbine Gió

Turbine gió được chia thành hai nhóm chính: máy phát điện gió trục ngang (hình a, b) và máy phát điện gió trục dọc (hình c)

Hình 1.7: Máy phát điện gió trục ngang (a, b) và máy phát điện gió trục dọc (c)

Máy phát điện gió trục ngang có hai hoặc ba cánh quạt Loại ba cánh quạt vận hành ở hai dạng là “up wind” (a) và “Down wind” (b) Ngày nay, máy phát điện gió trục ngang được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay Turbine gió có những cấu hình khác nhau như: Có hoặc không bộ thay đổi

tốc độ (gear-box), máy phát có thể là đồng bộ hay không đồng bộ, việc kết

Chương 1: Giới thiệu

nối lên lưới hệ thống trực tiếp hay qua bộ chuyển đổi công suất (power converter) Những chế độ vận hành khác nhau có thể sử dụng những cấu

hình khác nhau Trên quan điểm về tốc độ, người ta chia thành 02 loại khác

nhau là tốc độ thay đổi (variable-speed) và tốc độ không đổi (fixed-speed)

Với chế độ vận hành có tốc độ không đổi thì đơn giản và thường là có giá rẻ nhưng ngược lại hiệu suất thấp và không tối ưu Thường sử dụng máy phát không đồng bộ và nối trực tiếp lên lưới Với chế độ vận hành tốc độ thay đổi

và mang lại hiệu suất cao nhất Hệ thống sẽ điều khiển để nhận được công suất cực đại từ nguồn năng lượng gió có thể mang lại Bình thường với cấu hình này máy phát được nối lên lưới thông qua bộ biến đổi công suất do vậy làm giá thành đầu tư ban đầu tăng cao tuy nhiên thuận tiện cho việc điều khiển Ngày nay, giá thành của các bộ biến đổi công suất giảm nên xu hướng sử dụng trên thị trường là turbine gió vận hành ở chế độ tốc độ thay đổi do hiệu suất cao, dễ điều khiển và đáp ứng những yêu cầu biến động của

hệ thống điện

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và hứa hẹn sẽ đứng đầu trong những nguồn năng lượng sạch trong tương lai gần Trong số các máy phát điện khác nhau được sử dụng để chuyển đổi năng lượng gió, máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) đã thu hút được sự chú ý nhiều hơn bởi vì đặc tính hoạt động trong điều kiện vận tốc gió thay đổi, hiệu quả năng lượng cao hơn và cải thiện chất lượng điện năng

Điều khiển máy phát điện gió nói chung và DFIG nói riêng đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đã áp dụng thành công trong thực tế Tuy nhiên, mỗi phương pháp điều khiển cho thấy những ưu điểm và nhược điểm nhất định khi áp dụng vào thực tiễn Do đó, vấn đề điều khiển máy phát điện gió vẫn còn được quan tâm nghiên cứu Vì vậy, luận văn này sẽ phát triển một phương pháp điều khiển cho DFIG dùng phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) và phương pháp dò tìm công suất cực đại (MPPT) kết hợp

Chương 1: Giới thiệu

với phương pháp DPC để điều khiển công suất thực và công suất phản kháng của stator

Chương 1: Giới thiệu

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện gió cấp nguồn từ hai phía dùng phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) bằng phương pháp định hướng từ thông, kết hợp với dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) với các nhiệm vụ sau:

- Khảo sát hệ thống năng lượng gió

- Khảo sát mô hình toán học của DFIG

- Mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG dùng phần mềm Matlab/Simulink

- Kết luận và hướng phát triển

Điều khiển máy phát điện gió nguồn kép dùng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) và dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp với DPC để điều khiển công suất máy phát

 Mô phỏng toán học máy phát DFIG, thiết kế hệ thống điều khiển cho DFIG bằng phần mềm Matlab/Simulink

 Đối tượng nghiên cứu là máy phát điện gió nguồn kép

Điều khiển trực tiếp công suất của máy phát điện gió DFIG kết hợp với phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của máy phát điện gió

Chương 1: Giới thiệu

 Chương 1: Giới thiệu

 Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

 Chương 3: Mô hình toán học của máy phát điện gió DFIG

 Chương 4: Điều khiển độc lập P, Q bằng phương pháp DPC

 Chương 5: Điều khiển công suất cực đại (MPPT) kết hợp với điều

khiển trực tiếp công suất (DPC)

 Chương 6: Kết quả mô phỏng

 Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

 Chương 8: Tài liệu tham khảo

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

2.1.1 Sự hình thành gió

Tia nắng mặt trời chiếu vào trái đất không đồng đều làm nhiệt độ bầu khí quyển, nước và không khí luôn khác nhau; trái đất luôn quay theo quỹ đạo xung quanh mặt trời và tự quay quanh trục nên tạo ra mùa, ngày và đêm Do đó, không khí chuyển động theo những chiều khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu làm nhiệt độ của khí quyển thay đổi, phát sinh những vùng áp cao và áp thấp

Ngoài ra, vào ban đêm, một nửa bề mặt trái đất bị che khuất, không nhận được tia

nắng mặt trời; nửa bề mặt là ban ngày có cường độ chiếu sáng cao hơn; nhiệt độ giữa các vùng trên bề mặt trái đất, nhiệt

độ giữa biển và đất liền luôn khác nhau Các nguyên nhân trên làm cho trái đất có

sự chênh lệch áp suất khí quyển giữa các vùng Sự chênh lệch này làm cho không khí di chuyển từ nơi có khí áp cao về nơi

có khí áp thấp Sự di chuyển đó được gọi

để tốc độ đó phù hợp với máy phát điện Năng lượng điện sản xuất ra được đưa vào máy biến áp để phù hợp với điện áp lưới

Turbine gió chuyển đổi động năng thành năng lượng điện tùy thuộc vào diện tích quét của cánh quạt

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hình 2.2: Sự phát triển về kích thước của Turbine gió

Công suất đầu ra của turbine gió với các tốc độ gió khác nhau được mô tả bởi đường cong công suất Đường cong này cung cấp các giai đoạn vận hành của turbine gió

Hình 2.3: Đường đặc tính công suất có 3 điểm quan trọng tương ứng với vận tốc gió

Các giai đoạn vận hành của turbine gió

- Cut-in speed: là tốc độ tối thiểu mà turbine bắt đầu cung cấp năng

lượng hữu ích Turbine bắt đầu khởi động

- Rated wind speed: Tốc độ gió mà công suất thu được là công suất tối

đa của máy phát điện

- Cut-out wind speed: Tốc độ gió tối đa để Turbine hoạt động Ở tốc độ

này, hệ thống sẽ ngưng hoạt động để đảm bảo an toàn

Khi tốc độ gió nhỏ hơn 4m/s, các turbine gió vẫn duy trì trạng thái không hoạt động, bởi vì tốc độ này quá thấp để sản xuất năng lượng Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, công suất của turbine tăng lên tùy vào tốc độ của tốc độ

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

gió cho đến khi đạt tốc độ tối đa Khi tốc độ gió quá cao vượt qua giới hạn định mức, turbin tắt để đảm bảo an toàn

2.1.3 Số cánh quạt của turbine

 Dựa trên nguyên tắc vật lý và khí động lực học, những nghiên cứu và thử nghiệm về số cánh quạt cho turbine đã được thực hiện từ nhiều thập niên trước ở nhiều nước trên thế giới Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt cũng như chiều dài cánh quạt nên trên nguyên tắc, số cánh quạt của turbine không là yếu tố quyết định cơ bản về công suất Turbine gió trục ngang có thể có 1, 2, 3 hoặc 4 cánh quạt

Trên phương diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao, nhưng trên phương diện cơ học thì khi turbine hoạt động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhược điểm cơ bản như tần số rung của turbine điện gió sẽ mất ổn định, ảnh hưởng đến những chi tiết khác

Turbine điện gió một cánh được đưa vào hoạt động từ những năm 1985 với công suất từ 25 đến 1000 KW Ưu điểm của turbine gió một cánh là giảm được trọng lượng so với turbine gió hai hoặc ba cánh, số vòng quay nhanh,

có thể lên đến 49 vòng/phút nên tạo được công suất khá cao và giá thành thấp Tuy nhiên, sự phân bố lực của một cánh vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống sẽ giảm đi rất nhiều, bên cạnh đó, turbine điện gió một cánh khi hoạt động sẽ phát sinh tiếng ồn cao

 Trên lý thuyết thì số cánh quạt của turbine gió không là yếu tố quyết định về công suất nhưng trên thực tế, turbine điện gió hai cánh có thể đạt công suất cao hơn turbine gió một cánh khoảng 10%

Hệ số tốc độ đầu cánh TSR (Tip speed Ratio) đạt đến 10 – 12 trong khi turbine điện

gió 3 cánh chỉ đạt khoảng 6 – 8

Tuy nhiên, turbine điện gió hai cánh cũng có nhược điểm là vì hoạt động với

số vòng quay nhanh, tần số rung của turbine mất ổn định, ảnh hưởng đến những chi tiết khác của hệ thống

Sự phân bố lực của cánh quạt vào trục, thùng và thân trụ tùy thuộc vào vị trí của cánh quạt, khi cánh quạt ở vị trí thẳng đứng, tần số rung của cánh thấp, nhưng khi cánh quạt ở vị trí nằm ngang thì tần số rung của hệ thống tăng lên nên turbine gió dễ bị dao động và phát sinh tiếng ồn

 Turbine điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên hoạt động ổn định hơn turbine gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3 – 4% so với điện gió hai cánh Ngoài ra, độ

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

rung hệ thống ít bị xáo động nên hạn chế được những ảnh hưởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong turbine

Trong hai thập niên vừa qua, vì yếu tố kinh tế cũng như kỹ thuật, turbine điện gió trục ngang ba cánh đã dần thay thế tất cả những loại turbine khác Việc nâng số cánh quạt của turbine gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt được công suất thêm tối đa 1 – 2% so với turbine điện gió ba cánh nên những turbine loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế

Hình 2.4: Hệ số tốc độ gió tại đầu cánh  và cấu hình NACA 4415 theo số cánh quạt

Phần lớn turbine gió hiện nay trên thế giới được thiết kế theo loại trục ngang

và có công suất từ vài kW đến 10MW

 = v top /v Trong đó:

V top : tốc độ gió tại đầu cánh (m/s)

V: tốc độ gió (m/s)

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hình 2.5: một số loại turbine gió

a) Turbine điện gió hai cánh lắp đặt trên biển

b) Turbine điện gió trục ngang ba cánh – 1987 c) Turbine điện gió trục ngang 4 cánh (thử nghiệm) – 1942

Vì tốc độ gió luôn thay đổi nên trong thiết kế, để có một công suất ổn định, tua-bin chỉ có thể hoạt động tối ưu với một tốc độ gió nhất định Để đạt được yêu cầu này, hệ thống rotor phải có những chức năng tự điều chỉnh theo tốc

độ và hướng gió và tự ngưng hoạt động bằng những hệ thống phanh để đảm bảo an toàn

Trước đây, điều chỉnh hệ thống Rotor thường theo nguyên tắc điều chỉnh tình trạng gió trượt của cánh quạt (Stall control – pasive hoặc active), trong thập niên vừa qua, việc điều chỉnh này được thực hiện bằng phương thức chỉnh quay mặt đón gió của cánh quạt (Pitch control)

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hình 2.6: Phân bố lực trên cánh quạt

 Pitch control – điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt

Việc điều chỉnh mặt đón gió của cánh quạt thực sự là để điều chỉnh số vòng quay của hệ thống Rotor Tốc độ gió luôn thay đổi nên việc điều chỉnh, tăng hoặc hạn chế cơ năng từ dòng gió là yếu tố quan trọng để turbine gió hoạt động lâu dài và ổn định

Khi dòng gió có tốc độ thấp, hệ thống cánh quạt phải chỉnh mặt diện tích đón gió cao để có được công suất tối ưu Khi tốc độ gió lên cao, hệ thống cánh quạt phải giảm mặt đón gió để tiếp tục hoạt động Khi tốc độ gió lên quá cao, hệ thống cánh quạt phải tự chỉnh góc không đón gió để ngưng hoạt động, tránh hư hại cho turbine

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

 Yaw control – chỉnh Turbine theo hướng gió

Hướng gió thay đổi tùy theo từng thời điểm, vị trí và theo mùa Turbine gió muốn đạt được hiệu quả về công suất cũng phải chỉnh theo hướng gió, đặc biệt là những turbine điện gió trục ngang Phương pháp chỉnh turbine theo hướng gió gồm hai loại: phương pháp chỉnh thụ động và phương pháp chỉnh tích cực

Trong phương pháp chỉnh thụ động, hệ thống cánh quạt khi quay sẽ tùy theo hướng gió và quay đến vị trí có hướng gió mạnh nhất nhờ đuôi chong chóng gió (weather vane) gắn trên thùng Necelle Tuy nhiên, phương pháp này chỉ

có thể áp dụng được đối với những turbine gió có trọng lượng thấp, công suất từ 5 đến 20 kW và đường kính cánh quạt khoảng 10 m

Hầu hết turbine điện gió cỡ trung và lớn hiện nay đều áp dụng phương pháp chỉnh turbine gió theo hướng tích cực, với phương pháp này, việc quay hệ thống rotor về hướng gió thổi được thực hiện bằng những động cơ thủy lực hoặc động cơ điện và được gọi là động cơ góc phương vị

Hệ thống cánh quạt của turbine gió có tốc độ thấp, thông thường từ 3.5 đến

22 vòng/phút Những turbine điện gió loại hai cánh cũng chỉ hoạt động tối

đa đến tốc độ số vòng quay 49 vòng/phút Tốc độ số vòng quay của máy phát điện (ngoại trừ máy phát điện nam châm vĩnh cửu) thông thường từ 900 đến 2000 vòng/phút

Để chuyển tốc độ số vòng quay của hệ thống Rotor lên cao, hộp số được lắp đặt sau trục chính của Rotor Hộp số có chức năng chuyển tốc độ số vòng quay thấp từ hệ thống cánh quạt lên tốc độ có số vòng quay cao của máy phát điện

Tỷ lệ truyền động của hộp số có thể lên đến 1:100, ví dụ, tốc độ số vòng quay của hệ thống rotor là 10 vòng/phút thì tốc độ chuyển đổi sau hộp số là

1000 vòng/phút

Tuy nhiên, hộp số có nhược điểm là có nhiều chi tiết cơ hoạt động với tốc độ cao nên việc bảo trì cần thực hiện thường xuyên Hộp số dễ hư hại vì trục quay dễ bị cong do trọng lượng hệ thống cánh quạt cao, ổ lăn dễ bị hư hại và một yếu tố quan trọng là tốc độ gió luôn thay đổi Ngoài ra, vì hoạt động với tốc độ cao, cơ năng một phần chuyển qua nhiệt năng nên hộp số phải bôi trơn và làm mát bằng dầu Khi nhiệt độ tăng cao, turbine gió phải ngưng hoạt động

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Hình 2.8 : Nguyên tắc hộp số kết hợp 3 bộ bánh răng xếp đặt vòng và 1 bộ bánh răng trụ

Hầu hết mô hình các máy phát điện gió đều đã được nghiên cứu và thử nghiệm Tuy nhiên, thiết kế thương mại để phát điện phổ biến hiện nay là turbine gió trục ngang, ba cánh quạt, đón gió mặt trước Một số lượng lớn máy phát điện gió hoạt động ở tốc độ biến đổi trong khi nó nhỏ hơn, đơn giản hơn máy phát điện gió có tốc độ gió cố định Mẫu turbine máy phát điện gió hiện nay sử dụng cánh quạt hướng gió ba cánh, mặc dù các loại hai cánh và một cánh quạt được sử dụng trong thương mại trước đó

Máy phát điện gió hiện nay được chia thành hai loại chính:

 Máy phát điện gió có tốc độ cố định

 Máy phát điện gió có tốc độ thay đổi

2.2.1 Máy phát điện gió có tốc độ cố định

Turbine gió có tốc độ cố định là thiết bị điện có cấu trúc khá đơn giản, bao gồm bộ cánh quạt khí động học kéo một trục quay có tốc độ thấp, hộp số, trục quay tốc độ cao và máy phát điện cảm ứng (thường là máy phát điện

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

không đồng bộ Bên cạnh đó, bộ khởi động mềm, tụ bù và máy biến áp cũng cần được trang bị cho hệ thống Bộ tụ bù dùng để cung cấp công suất phản kháng cho máy phát điện Bộ khởi động mềm dùng để tăng từ thông từ từ và qua đó giảm dòng thoáng qua trong suốt quá trình từ hóa của máy phát điện

Hình 2.9: Turbine tốc độ gió cố định với SCIG

Dải thay đổi tốc độ của cấu hình kiểu này là (1-2)% Hiện có một số turbine gió dựa trên cấu hình SCIG nhưng tăng điện trở của rotor nên dải tốc độ có thể thay đổi 2-3% Nhưng dù sao với cấu hình trên đều hoạt động ở tốc độ không đổi và không phù hợp cho loại turbine gió có công suất cao hoặc turbine gió đặt những nơi có tốc độ gió thay đổi

2.2.2 Máy phát điện hoạt động ở tốc độ thay đổi

Kích thước của turbine ngày càng lớn hơn, công nghệ này đã chuyển từ tốc

độ cố định sang tốc độ thay đổi Bộ điều khiển hệ thống bên trong sự phát triển này là bộ phận chủ yếu để đảm bảo các yêu cầu kết nối với lưới và giảm tải cơ khí trong điều kiện vận hành ở tốc độ thay đổi Hiện tại, turbine tốc độ thay đổi phổ biến nhất hai loại sau:

 Máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)

 Máy phát điện gió với bộ chuyển đổi công suất toàn phần (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát điện cảm ứng)

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

Hình 2.10: Cấu hình Turbine gió với DFIG

Một cấu hình cơ bản của một turbine gió DFIG được thể hiện như hình 2.10 Từ năm 1996, phần lớn turbine gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Một hệ thống DFIG có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện thông qua stator và rotor, trong khi rotor cũng có thể tiêu thụ năng lượng Điều này phụ thuộc vào tốc độ quay của máy phát điện Nếu các máy phát điện hoạt động trên tốc độ đồng bộ, công suất sẽ được chuyển từ rotor sang lưới (hình 2.11b); nếu các máy phát điện hoạt động dưới tốc độ đồng bộ, rotor sẽ hấp thu năng lượng từ lưới thông qua bộ chuyển đổi công suất (hình 2.11b)

Hình 2.11: Dòng chảy công suất trong máy phát điện gió DFIG

DFIG sử dụng một máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn với các vòng trượt để đưa dòng điện vào hoặc ra cuộn dây rotor Máy phát điện này được thiết kế nối thêm với bộ biến tần để điều chỉnh dòng điện nên có thể hoạt động với tốc độ số vòng quay khác nhau, một phần dòng điện khoảng từ 20 – 40% được chuyển qua bộ biến tần để phù hợp với tần số và công suất quy định Với cấu hình này nó có thể mở rộng được phạm vi tốc độ hoạt động của turbine gió mà không ảnh hưởng đến hiệu suất Lý do điều khiển tốc độ

mà không mất hiệu suất là do một lượng công suất cấp ngược về lưới qua bộ converter thay vì tiêu tán trên điện trở của rotor

stator

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Công suất định mức của bộ biến đổi công suất là s.P đm Trong đó: s là hệ số trượt và P đm : là công suất định mức của máy phát

Hệ số trượt có thể âm hoặc dương do vậy công suất rotor có thể âm hoặc dương Ví dụ, nếu lượng công suất của bộ converter là 10% lượng công suất của máy phát, dải điều khiển tốc độ là từ 90% đến 110% tốc độ đồng bộ Nghĩa là khi turbine gió đạt 110% thì s= - 0,1 và công suất từ rotor cấp lên lưới Ngược lại khi tốc độ turbine gió là 90% thì hệ số trượt là s = + 0,1 nên 10% công suất từ lưới sẽ cung cấp cho rotor qua bộ converter

 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG)

Hình 2.12: Turbine gió không đồng bộ nguồn kép không chổi than (BDFIG)

Cấu hình của DFIG đều sử dụng máy phát không đồng bộ rotor dây quấn nên việc kết nối đến rotor qua cổ góp và chổi quét Vành trượt và chổi quét

là nguyên nhân gây ra vấn đề cơ khí và tổn thất về điện Để giải quyết vấn

đề trên một giải pháp được thay thế là Brushless Doubly Fed Induction Generator (BDFIG) như thể hiện trên hình 2.12 Trong sơ đồ này cuộn dây stator cuộn dây chính được nối trực tiếp lên lưới, và cuộn dây phụ 03 được nối lên lưới thông qua bộ chuyển đổi PE Bằng cách điều khiển thích hợp cuộn dây phụ nó có thể điều khiển máy phát điện không đồng bộ ở mọi tốc

độ khác nhau Trong cấu hình này sự phân chia công suất phát được xử lý trong bộ converter

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

 Máy phát điện công suất chuyển đổi toàn phần

Hình 2.13: Turbine gió có bộ chuyển đổi công suất toàn phần

Loại cấu hình của turbine gió có bộ biến đổi toàn phần được thể hiện trong hình 2.13 Loại turbine này có thể hoặc không thể bao gồm hộp số và một số loại các máy phát điện có thể được sử dụng như máy phát điện cảm ứng, máy phát đồng bộ rotor dây quấn, máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Do toàn bộ công suất từ turbine đều đi qua bộ chuyển đổi công suất nên hoạt động của máy phát điện là có hiệu quả cách ly với lưới điện Tần số của máy phát điện gió có thể thay đổi khi tốc độ gió thay đổi, trong khi đó, tần số lưới điện không đổi, do đó, nó cho phép hoạt động trong điều kiện thay đổi tốc

độ của turbine gió

Bộ chuyển đổi công suất có thể được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau, ví

dụ, bộ chuyển đổi phía máy phát có thể là chỉnh lưu Diode hoặc chuyển đổi nguồn áp PWM; bộ chuyển đổi phía lưới thường là loại chuyển đổi nguồn áp PWM Việc kiểm soát hoạt động của máy phát điện và dòng công suất vào lưới điện phụ thuộc nhiều vào loại sắp xếp bộ chuyển đổi công suất Bộ chuyển đổi công suất nối lưới có tác dụng duy trì điện áp Bus DC thường xuyên với moment của máy phát điện điều khiển từ bộ chuyển đổi công suất phía Rotor

Trong cấu hình máy phát điện đồng bộ ở hình 2.13 cần bộ chuyển đổi điện

tử công suất cung cấp cho dòng kích từ qua vòng trượt Thuận lợi của việc

sử dụng máy phát đồng bộ là không cần hộp số trong cấu hình turbine gió

Để kéo trực tiếp máy phát cần phải có bán kính lớn để tạo ra môment lớn Không thể sử dụng máy phát điện không đồng bộ trong cấu hình không có hộp số do tổn thất kích từ rất là lớn trong những máy điện lớn do có khe hở không khí lớn Tuy nhiên máy phát điện đồng bộ có thể kéo trực tiếp turbine

Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

gió không cần hộp số và rotor có cấu trúc là cuộn dây kích từ hay nam châm vĩnh cửu

Nhận thấy với cấu hình DFIG được sử dụng nhiều trong những năm trước

đây, và sau đó là mô hình vận hành với tốc độ không thay đổi và tiếp theo là

mô hình SG và cuối cùng là WRIG Nhưng ngay nay chiều hướng lại thay đổi do các vấn đề khó khăn trước đây đã được giải quyết như điều khiển các

bộ điện tử công suất, giá thành các bộ PE giảm, giá thành nam châm vĩnh cửu giảm và có khả năng lưu từ lớn và lâu dài

Thực tế trên thị trường thế giới hiện nay 02 mô hình DFIG và PMSG đang chiếm lĩnh Trong đó PMSG có một số ưu điểm so với mô hình DFIG là hiệu suất cao hơn, có khả năng điều khiển dễ dàng hơn, không cần cấp nguồn vô công cho máy phát, kích thước lại nhỏ gọn so với DFIG cùng công suất và không cần hộp số trong cấu hình Tuy nhiên, khối lượng của PMSG lớn hơn DFIG rất nhiều, đồng thời để sản xuất PMSG cần một lượng lớn nam châm vĩnh cửu nên giá thành cao Hiện nay, sau 10 năm phát triển PMSG, hãng GE đã quay lại phát triển dòng sản phẩm DFIG vì những nhược điểm của PMSG

Chương 3: Mô hình động của máy phát điện gió DFIG

Chương 3: Mô hình động của máy phát điện gió

DFIG

Turbine gió là thiết bị chuyển đổi khí động học thành năng lượng điện thông qua hai quá trình: khí động học trong không khí chuyển đổi thành năng lượng cơ học và năng lượng cơ học được chuyển đổi thành năng lượng điện Turbine gió có thể có tốc

độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi Trong luận văn này tập trung vào điều khiển công suất thực, công suất phản kháng và điều khiển cực đại công suất của máy phát điện gió nguồn kép DFIG

3.1 Mô hình hệ thống máy phát điện gió DFIG

3.1.1 Hệ tọa độ cố định stator – hệ trục tọa độ 

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định quay trên

mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc st Đặt tên trục thực là  và trục ảo là , vector không gian (điện áp stator) có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us)

là hai thành phần của vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ 

Hình 3.1: Hệ trục tọa độ 

Để biểu diễn mô hình toán học của DFIG trong hệ tọa độ , các giả thiết sau đây được chấp nhận:

Chương 3: Mô hình động của máy phát điện gió DFIG

 Ba cuộn dây abc của stator và rotor bố trí đối xứng về mặt không gian, các cuộn dây được nối theo hình sao

 Khe hở không khí xem như đồng nhất

 Bỏ qua tổn hao dây quấn stator, rotor và tổn hao sắt từ, bão hòa mạch từ

 Từ thông móc vòng giữa stator và rotor chỉ xét thành phần hài cơ bản

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

Hình 3.2 : Sơ đồ đấu dây của cuộn dây stator và rotor, Y- Y

Phương trình điện áp stator:

dt

d i R

as as as

bs bs bs

cs cs cs

ar ar ar

br br br

cr cr cr





Chương 3: Mô hình động của máy phát điện gió DFIG

Phương trình (3.1), (3.2) được thể hiện theo vector không gian là:

dt

d i R v

s s s s s s s

r r r r r s r

i R v

s r s r r s r r s r

Trong đó:  r là vận tốc góc của rotor (rad/s)

Phương trình từ thông trong hệ trục tọa độ :

s r r s s m s r

s r m s s s s s

i L i L

i L i L









L s : Điện cảm dây quấn stator L s = L  s + L m

L r : Điện cảm dây quấn rotor được quy đổi về stator L sr = L  r + L m

L  s , L  r : Điện cảm tản dây quấn stator và rotor

Phương trình toán học của (3.3), (3.4), (3.5) trong hệ tọa độ : Phương trình điện áp stator:

dt

d i R v

dt

d i R v

s s s

s s s s

s s s

s s s s

i R v

dt

d j

i R v

s r s

r r s r r s r

s r s

r r s r r s r