Điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép sử dụng back to back converters

Để nghiên cứu hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép DFIG sử dụng back-to-back converter, luận văn này mô phỏng hệ thống DFIG dùng MATLAB Simulink bằng các phương pháp điều k

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

BÙI HỮU NGHĨA

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG

BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG BACK-TO-BACK CONVERTERS

Mã số: 605250

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2013

ii

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Đình Trực

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày …

tháng … Năm …

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 LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: BÙI HỮU NGHĨA MSHV: 11180115 Ngày, tháng, năm sinh: 27/04/1986 Nơi sinh: Vũng TàuChuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 60.52.50

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP SỬ DỤNG BACK-TO-BACK CONVERTERS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về năng lượng gió

- Lý thuyết điều khiển DFIG (double fed induction generator)

- Mô phỏng hệ thống DFIG và so sánh kết quả giữa các phương pháp điều khiển

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

iv

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt tôi tận tình, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập tại trường

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô Khoa Điên-Điện Tử đặc biệt là thầy Phạm Đình Trực đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn gia đình tôi, những người thân đã cho tôi những điều kiện tốt nhất để học tập trong suốt thời gian dài

Ngoài ra tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn của tôi, những người

đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ tôi trong những năm qua cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày sơ lược về hệ thống năng lượng gió, lý thuyết điều khiển RSI (rotor side inverter) dùng vectơ không gian.Tiếp theo là mô phỏng máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép sử dụng back-to-back converters bằng ba phương pháp: PWM, 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian, 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian và PI Từ kết quả mô phỏng, luận văn so sánh giữa ba phương pháp và nhận thấy phương pháp điều khiển RSI bằng 3-level hysteresis kết hợp vectơ không gian và PI cho ra đáp ứng của công suất tác dụng stator là tốt nhất Tất cả các mô phỏng được thực hiện bằng Matlab/Simulink

THESIS SUMMARY

This thesis presents wind energy conversion system (WECS), RSI (rotor side inverter) controller with space vector-based hysteresis current controller The simulations of a doubly-fed induction generator driven by a wind turbine in large power systems using 3 different methods has been made: PWM, 3-level hysteresis + space vector-based hysteresis current controller, 3-level hysteresis + space vector-based hysteresis current controller + PI From simulation results, comparion of 3 methods are discussed and the results show that 3-level hysteresis + space vector-based hysteresis current controller + PI method has the best stator active power in 3 methods All the simulations are investigated with MATLAB/SIMULINK

vi

Tôi xin cam đoan Luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví dụ

và trích dẫn trong Luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

Tôi xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI CAM ĐOAN

Bùi Hữu Nghĩa

vii

MỤC LỤC

Chương 1: Mở đầu 1

1.1 Giới thiệu tổng quan 1

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 1

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 1

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 1

1.3 ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN 2

Chương 2: Tìm hiểu về năng lượng gió 3

2.1 Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện 3

2.2 Phân loại turbine gió 5

2.2.1 Turbine gió kiểu trục thẳng đứng .5

2.2.2 Turbine gió kiểu trục ngang .6

2.3 Các kiểu máy phát điện gió phổ biến .7

2.3.1 Hộp số .8

2.3.2 Phương pháp điều khiển 9

2.4 Converter .11

2.4.1 Cặp inverter - chỉnh lưu back-to-back .12

2.4.2 Converter ma trận 13

2.5 Sự khác biệt giữa các kiểu nối turbine gió với lưới 14

2.6 Khởi động và ngắt máy phát điện gió khỏi lưới .19

2.7 Mô hình động lực của hệ thống turbine gió và phân tích tín hiệu nhỏ .19

2.7.1 Mô hình động lực của hệ thống turbine gió .19

2.7.1.1 Mô hình động lực gió .20

2.7.1.2 Moment đầu ra của turbine gió .20

2.7.1.3 Hiệu ứng bóng tháp .22

2.7.1.4 Mô hình cơ học .23

viii

2.7.1.5 Mô hình máy điện không đồng bộ .25

2.7.1.6 Phương pháp điều khiển V/f bằng hằng số .27

2.7.1.7 Mô hình hộp số .28

2.7.1.8 Mô hình lưới .28

2.7.1.9 Mô hình tốc độ gió .28

Chương 3: Điều khiển dòng RSI dùng vectơ không gian cho DFIG 32

3.1 Mô hình hóa DFIG 32

3.2 Điều khiển RSI bằng PWM 35

3.3 Điều khiển RSI dùng vectơ không gian cho DFIG 37

3.4 Điều khiển RSI dùng 3-level hysteresis + PI cho DFIG 41

Chương 4: Mô phỏng điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép bằng Matlab/Simulink 42

4.1Mô phỏng DFIG 42

4.2Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng PWM 44

4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI dùng hysteresis 3 tầng 51

4.4 Kết quả mô phỏng hệ thống DFIG điều khiển RSI bằng hysteresis 3 tầng+PI 57

4.5 So sánh kết quả 3 phương pháp điều khiển RSI và nhận xét 63

Chương 5: Kết luận và định hướng của đề tài 67

Chương 6: Tài liệu tham khảo 69

1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu:

Nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong tương lai gần Vì vậy mà các

nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu và phát

triển liên tục như năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo… Trong đó, năng lượng

gió được sử dụng phổ biến, các dự án về năng lượng gió đã được xây dựng ở hầu

hết các quốc gia SCIG (squirrel cage induction generator) và DFIG (doubly-fed

induction generator) là hai kiểu máy phát thường dùng cho các dự án SCIG làm

việc với tốc độ gió cố định, còn DFIG có thể làm việc với tốc độ gió thay đổi Để

nghiên cứu hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) sử dụng

back-to-back converter, luận văn này mô phỏng hệ thống DFIG dùng MATLAB

Simulink bằng các phương pháp điều khiển khác nhau

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu:

Mô hình hóa và xây dựng các giải thuật điều khiển máy phát điện cảm ứng

cấp nguồn từ hai phía DFIG (Double Fed Induction Generator) được trang bị

trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy Conversion

System)

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn tập trung vào các vấn đề chính sau đây:

+ Xây dựng mô hình hoàn chỉnh bộ chuyển đổi công suất back to back được

cấu tạo từ 6 khoá công suất IGBT/ Diode (bao gồm bộ Grid side converter và

2

Rotor side converter), từ đó điều khiển được máy DFIG phát độc lập công

suất tác dụng trên stator, công suất phản kháng trên stator

+ Sử dụng các phương pháp điều khiển khác nhau điều khiển đóng ngắt 6

khoá công suất IGBT/Diode của bộ Rotor Side Converter

+ Bằng mô phỏng, so sánh giữa các phương pháp điều khiển với nhau Nhận

xét và kết luận

1.3 Đề cương luận văn:

Nội dung của luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tìm hiểu về năng lượng gió

Chương 3: Điều khiển RSI (rotor side inverter) dùng vectơ không gian cho

DFIG

Chương 4: Mô phỏng điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

bằng Matlab/Simulink

Chương 5: Kết luận và định hướng của đề tài

Chương 6: Tài liệu tham khảo

Luận văn này dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng mô hình điều

khiển DFIG bằng phương pháp SVO và FOC

3

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

2.1 Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện:

Lịch sử sử dụng năng lượng gió để phát điện đã có từ đầu thế kỷ 19, nhưng vào thời đó giá nhiên liệu thấp làm cho năng lượng gió không được thu hút [1] Nghiên cứu về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đó được người ta quan tâm hơn vào năm 1973 bởi sự khủng hoảng dầu hỏa Vào thời điểm đó, do các vấn đề về

kỹ thuật và chi phí cao cho sản xuất, việc làm các turbine lớn bị gây trở ngại [1,2]

Vì vậy, các nghiên cứu về turbine gió chuyển sang nghiên cứu làm turbine giá rẻ là các loại turbine nhỏ gồm máy phát điện không đồng bộ, hộp số và phương pháp điều khiển đơn giản Với loại hệ thống này, trục turbine quay với tốc độ cố định Máy phát không đồng bộ là sự lựa chọn thích hợp hơn cho hệ thống này Tổn hao thấp và kích thước nhỏ làm cho loại này có giá cả hợp lý [3] Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió bao gồm cánh quạt, máy phát điện, converter, hệ thống điều khiển như trong hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống phát điện gió lên lưới [4]

Đến khi có kết quả thành công của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió mới, máy phát điện gió được phát triển với quy mô lớn hơn Trong suốt 2 thập kỷ cuối thế kỷ 19, sản xuất turbine gió phát triển cả về kích thước và công suất phát Điều này có nghĩa là đường kính rotor, công suất phát và trọng lượng tháp đỡ tăng Trong những năm đầu 1980, turbine gió với với đường kính khoảng 10 đến 15m, và công

4

suất phát từ 10 đến 65kW đã được lắp đặt Đến giữa những năm 1980, bắt đầu xuất hiện những turbine có đường kính khoảng 15 đến 25m và công suất phát lên tới 200kW Ngày nay, năng lượng gió được lắp đặt với công suất từ 200kW đến 2MW với bán kính rotor khoảng từ 47 đến 80m Căn cứ theo hiệp hội năng lượng gió Mỹ (AmericanWind Energy Association), loại turbine gió lớn được sản xuất gấp 120 lần về công suất so với thiết kế turbine thời kỳ đầu, với chi phí bảo trì và vận hành cao hơn không nhiều, nhờ vậy mà cắt giảm được chi phí bảo trì và vận hành trên mỗi kWh Turbine lớn không quay nhanh và ít gây ồn hơn so với turbine nhỏ [5] Đến năm 1993, một vài nhà sản xuất đã thay thế máy phát điện không đồng bộ truyền thống trong thiết kế turbine gió của họ bằng máy phát điện đồng bộ, trong khi các nhà sản xuất khác nữa sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (doubly-fed asynchronous generators)

Cùng với những tiến bộ trên về hệ thống turbine gió, các converter và phương pháp điều khiển mới cũng được phát triển và thử nghiệm Sự phát triển này bao gồm sử dụng các thiết bị điện tử công suất hiện đại vào trong thiết kế hệ thống máy phát làm xuất hiện loại tốc độ có thể thay đổi được Bởi vì sự phát triển nhanh chóng của điện tử công suất, làm khả năng điều khiển công suất cao hơn và giá thành thấp hơn, ứng dụng của điện tử công suất trong turbine gió được mong đợi tiến xa hơn nữa [6] Ngoài ra, một vài phương pháp điều khiển được phát triển cho turbine lớn với góc cánh quạt thay đổi được để điểu khiển tốc độ của trục turbine Nhiều nỗ lực nghiên cứu so sánh các cấu trúc khác nhau của hệ thống năng lượng gió về các mặt như cơ, điện và kinh tế Trong cùng điều kiện chuyển đổi năng lượng, tất cả các nghiên cứu đi dến cùng một kết quả là turbine tốc độ thay đổi sẽ sản xuất nhiều năng lượng hơn so với turbine có tốc độ không đổi (tăng năng lượng đầu ra tới 20% so với hệ thống turbine cũ) [7,8] Việc điều khiển góc nghiêng làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng gió và độ ổn định đối với những cơn gió mạnh Đối với kiểu turbine gió có tốc độ thay đổi, các sơ đồ khác đã được đề xuất Như một vài sơ đồ dựa vào tốc độ gió để tối ưu vận hành turbine gió [9] Các kiểu điều khiển khác tìm ra công suất cực đại cho vận hành bằng phương pháp tính toán

5

phức tạp [10-12] Để đạt được công suất cực đại, các phương pháp điều khiển khác như field-oriented control và V/f bằng hằng số được sử dụng [13-16]

2.2 Phân loại turbine gió:

Turbine gió thường được phân làm hai loại, dựa vào định hướng của trục quay với hướng gió như trong hình 2.2:

+Turbine kiểu trục thẳng đứng

+Turbine kiểu trục ngang

Hình 2.2 (a) Turbine kiểu trục thẳng đứng [17] (b)Turbine kiểu trục ngang [1]

2.2.1 Turbine kiểu trục thẳng đứng (Vertical-axis wind turbine, VAWT):

Cối xay gió đầu tiên được xây dựng dựa vào cấu trúc kiểu turbine trục thẳng đứng Kiểu này chỉ dùng cho lắp đặt công suất nhỏ và có những ưu điểm sau:

6

+Dễ dàng bảo trì

+Nhận gió từ bất cứ hướng nào

+ Thiết kế cánh quạt đơn giản và chi phí sản xuất thấp

Nhược điểm của kiểu này là:

+Không tự khởi động được, cần máy phát chạy kiểu motor lúc khởi động +Hiệu suất thấp

+Khó điều khiển tốc độ cánh quạt cao

+Dao động cao khi moment gió mạnh

2.2.2 Turbine kiểu trục ngang (Horizontal-axis wind turbines, HAWT):

Đây là kiểu thiết kế phổ biến nhất Turbine gió trục ngang được gắn trên tháp

như trong hình 2.2(b)

Ưu điểm:

+Hiệu suất cao

+Có khả năng thay đổi góc cánh quạt

+Tỷ số cost-to-power thấp

Nhược điểm:

+Máy phát và hộp số phải được gắn trên tháp

+Yêu cầu thiết kế phức tạp hơn

Turbine kiểu trục ngang có thể được phân loại thành turbine upwind và turbine downwind như trong hình 2.3

7

Hình 2.3 (a) Turbine kiểu upwind (b)Turbine kiểu downwind [1]

Turbine kiểu upwind cần thiết bị cơ xoay để giữ cho rotor luôn đối mặt với hướng gió Ngược lại turbine kiểu downwind được xây dựng không có thiết bị xoay

2.3 Các kiểu máy phát điện gió phổ biến:

Có nhiều kiểu máy phát được sử dụng cho turbine gió Các turbine gió loại nhỏ được trang bị máy phát DC lên tới vài kW Hệ thống turbine gió hiện đại sử dụng máy phát ba pha Các kiểu thông thường của máy phát AC được sử dụng trong máy phát turbine gió gồm:

+Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG)

+Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG)

+Máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

+Máy phát đồng bộ (với kích từ bên ngoài)

+Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)

8

Máy phát không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thương mại Vận hành không đồng bộ của máy phát không đồng bộ được xem là ưu điểm đối với hệ thống turbine gió, bởi vì nó linh hoạt đối với tốc độ gió thay đổi

Có hai kiểu chính của máy phát không đồng bộ: rotor lồng sóc (SC- squirrel cage) và rotor dây quấn (WR- wound rotor) Một loại khác của máy phát không đồng bộ là DFIG (double fed induction generator), DFIG có thể dựa trên máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay rotor dây quấn

Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng phổ biến bởi giá thành thấp, cấu trúc đơn giản

Rotor dây quấn thích hợp cho mục đích điều khiển tốc độ Bằng cách thay đổi điện trở rotor, đầu ra của máy phát có thể được điều khiển và vì vậy điều khiển tốc

độ của máy phát là có thể Mặc dù máy phát không đồng bộ rotor dây quấn có những ưu điểm như trên nhưng nó mắc hơn so với rotor lồng sóc

DFIG (double fed induction generator) là một loại máy không đồng bộ cả rotor và stator đều được kết nối với lưới Rotor được kết nối với lưới thông qua bộ converter Công suất của converter thường bằng khoảng 1/3 công suất của máy phát [18]

Một kiểu khác của máy phát được để xuất cho turine gió trong một vài bài báo nghiên cứu là máy phát điện đồng bộ Kiểu máy phát này có khả năng kết nối trực tiếp với turbine gió không cần hộp số Điều này có lợi cho tuổi thọ và bảo trì Máy phát đồng bộ có thể sử dụng kiểu kích từ hay rotor nam châm vĩnh cửu (PM- permanent magnet)

Máy phát điện đồng bộ kiểu kích từ hay nam châm vĩnh cửu khác với máy phát không đồng bộ ở chỗ từ thông từ hóa được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu hay nguổn dc cho rotor Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho phép vận hành với hệ số công suất cao và hiệu suất cao

Trong các loại thì máy phát không đồng bộ là kiểu phổ biến nhất trong hệ thống turbine gió hiện đại [6]

2.3.1 Hộp số:

9

Kết nối cơ giữa máy phát điện và turbine rotor có thể trực tiếp hay thông qua hộp số Hộp số giúp chuyển đổi tốc độ turbine cho phù hợp với máy phát Sử dụng hộp số hay không là phụ thuộc vào loại máy phát điện Tuy nhiên việc sử dụng hộp

số làm giảm hiệu suất và trong một vài trường hợp làm giảm độ tin cậy của hệ thống [4]

2.3.2 Phương pháp điều khiển:

Các phương pháp điều khiển được chia làm hai loại chính:

+Các phương pháp điều khiển với tốc độ hằng số

+Các phương pháp điều khiển với tốc độ thay đổi được

Đối với turbine có tốc độ hằng số thì không có điều khiển tốc độ trục turbine Điều khiển khi tốc độ bằng hằng số là phương pháp điều khiển dễ dàng và chi phí thấp, nhưng tốc độ thay đổi thì có những ưu điểm sau:

+Bám theo công suất cực đại giúp khai thác năng lượng gió lớn nhất có thể được

+Ứng suất cơ học thấp

+Sự thay đổi ít của công suất

+Giảm tiếng ồn tại tốc độ gió thấp

Sau đây, các ưu điểm sẽ được giải thích ngắn gọn

Bằng cách điểu khiển tốc độ trục, năng lượng sẽ nhận được nhiểu hơn [4] Kết quả so sánh công suất sản xuất được của turbine có tốc độ thay đổi và turbine có tốc

độ cố định ứng với các tốc độ gió khác nhau được cho trong hình 2.4

10

Hình 2.4 So sánh công suất sản xuất bởi turbine gió tốc độ thay đổi và turbine

tốc độ hằng số tại các tốc độ gió khác nhau [4]

Từ hình 2.4, ta thấy hệ thống có tốc độ thay đổi có công suất đầu ra lớn hơn hệ thống có tốc độ cố định Ví dụ, đối với hệ thống tốc độ cố định với tốc độ gió là 7m/s, năng lượng sản xuất được là 54.6 MWh, trong khi hệ thống với tốc độ thay đổi có thể sản xuất tới 75.8 MWh Trong khi turbine chạy, có một số thay đổi do thành phần điện hay cơ gây ra Sự thay đổi có liên quan đến phần cơ bao gồm sự thay đổi của dòng điện do tốc độ gió thay đổi Sự thay đổi liên quan đến phần điện như sóng hài điện áp gây ra bởi converter Các sóng hài có thể giải quyết bằng cách

sử dụng bộ lọc thích hợp Tuy nhiên, bởi vì hằng số thời gian lớn của sự dao động của thành phần cơ, chúng không thể bị hủy bởi thành phần điện [4] Một giải pháp

có thể giảm phần lớn sự dao động này đối với phần cơ bằng cách sử dụng turbin gió

có tốc độ thay đổi Tham khảo [7] và [19] so sánh nhiễu công suất của turbine gió

11

điển hình với phương pháp tốc độ hằng số và phương pháp tốc độ thay đổi cho trong hình 2.5

Hình 2.5 So sánh công suất sinh bởi turbine gió tốc độ thay đổi và turbine tốc

độ hằng số tại các tốc độ gió khác nhau [1] [6] [20]

Mặc dù vận hành với tốc độ thay đổi được dùng cho các turbine gió hiện đại, phương pháp này có vài nhược điểm, như tổn hao thêm của các thành phần thêm vào và phương pháp điều khiển phức tạp [10]

2.4 Converter:

Converter có vai trò quan trọng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió dùng phương pháp điều khiển có tốc độ thay đổi Hệ thống với tốc độ hằng số hầu như không có converter, ngoại trừ bù công suất phản kháng Mục tiêu điều khiển converter gồm:

+Đạt được công suất truyền cực đại từ gió, khi tốc độ gió thay đổi bằng cách điều khiển tốc độ rotor

12

+Làm cho máy phát điện phát ra tần số và điện áp AC không đổi lên lưới

Cùng với sự phát triển của điện tử công suất, các thiết bị bán dẫn có dòng điện

và điện áp định mức cao hơn, ít tổn hao hơn, độ tin cậy cao hơn và giá thành rẻ hơn với mỗi kVA Vì vậy, converter trở nên hấp dẫn hơn đối với các hệ thống phát điện turbine gió Trong một vài ứng dụng, toàn bộ năng lượng của máy phát được truyền qua converter, trong khi những loại khác chỉ một phần công suất này turyền qua converter [4]

Cấu hình của hầu hết các converter ngày nay trong hệ thống turbine gió là cặp nghịch lưu-chỉnh lưu Converter ma trận là converter chuyển đổi trực tiếp điện AC sang AC có tiềm năng thay thế cặp inverter chỉnh lưu

2.4.1 Cặp nghịch lưu - chỉnh lưu back-to-back:

Cặp nghịch lưu- chỉnh lưu được cho trong hình 2.6 Một converter vận hành kiểu chỉnh lưu, trong khi converter kia vận hành kiểu nghịch lưu Hai converter này được kết nối với nhau qua một tụ điện Điện áp của tụ điện sẽ được duy trì với điện

áp cao hơn biên độ điện áp dây của lưới Xem xét hệ thống turbine gió gồm to-back PWM VSC (voltage source converter) gồm chỉnh lưu và nghịch lưu kết nối với máy phát và lưới điện Công suất truyền được điều khiển bởi converter phía lưới (GSC – grid side converter) để giữ cho điện áp dc không đổi, trong khi converter phía máy phát có nhiệm vụ kích từ cho máy phát và điều khiển máy phát để công suất gió cực đại truyền về tụ dc [21]

back-Trong các converter 3 pha AC/AC, cấu trúc cặp nghịch lưu- chỉnh lưu được sử dụng phổ biến nhất Tụ dc dùng để lưu trữ điện năng trao đổi giữa bộ chỉnh lưu và

bộ nghịch lưu Tuy nhiên, trong vài bái báo, tụ dc được xem như và một khuyết điểm Tụ dc nặng và lớn gây tăng thêm tổn hao và giảm tuổi thọ của toàn hệ thống [21]

13

Hình 2.6 Sơ đồ cặp converter chỉnh lưu- nghịch lưu back-to-back [4]

2.4.2 Converter ma trận (MC – matrix converter):

Converter ma trận là converter chuyển đổi trực tiếp AC thành AC và bao gồm

1 dãy 9 khóa bán dẫn hai chiều Cấu trúc được cho trong hình 2.7

Hình 2.7 Cấu trúc converter ma trận [4]

Ý tưởng cơ bản của converter ma trận là tần số đầu ra, điện áp đầu ra mong muốn có thể đạt được bằng cách điều khiển các khóa đóng ngắt một cách hợp lý Sự phát triển của converter ma trận với điều khiển tần số cao được giới thiệu đầu tiên

14

torng bài viết của Venturini và Alesina vào năm 1980 [22,23] Các khóa hai chiều được sắp xếp thành một dãy 3x3 và được đặt tên là converter ma trận Họ cũng giải thích phương pháp điều chế tần số thấp và hàm truyển trực tiếp thông qua phân tích toán học chính xác Trong phương pháp này được biết như là phương pháp trực tiếp, điện áp đầu ra được chuyển trực tiếp từ AC chứ không gián tiếp qua DC nữa

Kể từ đó, các nghiên cứu về converter ma trận tập trung vào việc điều khiển khóa hai chiều cũng như kỹ thuật điều chế

Trong trường hợp so sánh converter ma trận với cặp chỉnh lưu – nghịch lưu dùng PWM, converter ma trận có dạng sóng sin đầu vào và đầu ra ít méo dạng hơn, dòng công suất hai chiều và có thể điều khiển hệ số công suất đầu vào [24] Ưu điểm chính của converter ma trận là thiết kế gọn làm nó thích hợp với các ứng dụng cần kích thước và trọng lượng nhỏ, nhất là các ứng dụng trong không gian vũ trụ Mặt hạn chế của converter ma trận gồm biên độ của điện áp đầu ra của converter ma trận chỉ có thể đạt tới 0.866 điện áp vào, thiết kế bộ lọc của converter

ma trận phức tạp và bởi vì không có tụ dc nối giữa đầu ra và đầu vào [25]

2.5 Sự khác biệt giữa các kiểu nối turbine gió với lưới :

Kết nối của các turbine gió với lưới phụ thuộc vào kiểu của máy phát điện và converter Cấu hình của turbine gió có thể chia làm ba loại: kết nối trực tiếp với lưới không dùng converter, kết nối thông qua converter, kết nối qua full-scale PE (power electronic) converter, kết nối qua partially-rated PE converter Tiếp theo, cấu hình của động cơ và converter thường được sử dụng trong hệ thống turbine gió sẽ được thảo luận

Đầu tiên là máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG – squirrel cage induction generator) được mô tả trong hình 2.8 Đối với máy phát điện không đồng

bộ, sử dụng hộp số là cần thiết để chuyển đổi tốc độ giữa máy phát và turbine Tụ điện (để bù công suất phản kháng) và khởi động mềm đều cần thiết Tốc độ và công suất được giới hạn bởi điều khiển góc pitch Sự thay đổi của độ trượt nằm trong khoảng 1-2%, nhưng có vài turbine gió dùng SCIG (squirrel cage induction

15

generator) trong công nghiệp tăng điện trở rotor và vì vậy tăng độ trượt (2-3%) Sơ

đồ này cho phép tăng tốc độ một ít trong những cơn gió mạnh để giảm ứng suất cơ Tuy nhiên, cấu hình này dựa vào tốc độ cố định và không phù hợp với turbine gió

có tầm công suất cao và đối với vùng có tốc độ gió thay đổi rộng [6,26]

Hình 2.8 Hệ thống turbine gió với SCIG [4]

Ba hệ thống turbine gió dùng cho máy phát điện gió, có khả năng vận hành với tốc độ thay đổi được cho trong hình 2.9 Hệ thống turbine gió trong hình 2.9 sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) Ý tưởng của mô hình này là điện trở rotor có thể thay đổi được bằng cách sử dụng điện trở ngoài và converter Bằng cách điều khiển điện trở rotor, độ trượt của máy sẽ có thể thay đổi trên 10% (tầm tốc độ 2-4%) [6] Trong vận hành bình thường, điện trở rotor thấp, tương ứng với độ trượt thấp, nhưng trong khi gió mạnh thì điện trở rotor tăng để cho phép tăng tốc độ

16

Hình 2.9 Hệ thống turbine gió dựa trên máy phát không đồng bộ với khả năng thay đổi tốc độ vận hành: (a) rotor dây quấn, (b) nguồn kép, (c) Nguồn kép không

chổi quét [4]

17

Hình 2.9 (b) là cấu hình của của máy phát không đồng bộ nguồn kép và converter kết nối rotor với lưới Với cấu hình này, nó có thể mở rộng tầm tốc độ hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất Nguyên nhân điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng đến hiệu suất là do phần công suất trượt có thể truyền lên lưới bằng converter thay vì lãng phí ở điện trở rotor [4] Công suất định mức của converter là

sPnom, trong đó ‘s’ là độ trượt lớn nhất có thể và Pnom là công suất định mức của máy Độ trượt rotor có thể dương hay có thể âm bởi vì công suất rotor có thể dương hay âm (converter có thể truyền theo hai chiều) Ví dụ nếu tầm công suất của converter là 10% công suất máy phát, tốc độ điều khiển trong tầm 90% đến 110% của tốc độ đồng bộ Điều này có nghĩa là tại 110% tốc độ, s = -0.1 và công suất truyền từ rotor lên lưới Trái lại tại tốc độ 90%, độ trượt là 0.1, và 10% công suất truyền từ lưới vào rotor thông qua converter Với những đặc điểm này, tầm điều khiển lớn hơn mà tổn hao nhỏ hơn, cấu hình trong hình 2.9(b) được dùng nhiều hơn cấu hình trong hình 2.9(a)

Trong cấu hình trong hình 2.9(a) và 2.9(b), với máy phát không đồng bộ rotor dây quấn, rotor dùng cổ góp và chổi than Cổ góp và chổi than gây vấn đề về cơ học

và tổn hao điện năng Để giải quyết vấn đề này, một sự lựa chọn là sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép không chổi quét (BDFIG – Brushless Double Fed induction generator) cho trong hình 2.9(c) Trong sơ đồ này, cuộn stator (cuộn chính) được kết nối trực tiếp với lưới, trong khi cuộn phụ nối với lưới điện thông qua converter Bằng cách sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp cho cuộn phụ,

có thể điều khiển máy phát không đồng bộ tại bất kỳ tốc độ nào Ngoài ra, trong cấu hình này một phần công suất được truyền qua converter

Trong loại tiếp theo, máy điện được kết nối với lưới điện thông qua fully-rated converter Nó có nghĩa là toàn bộ công suất giữa turbine gió và lưới phải thông qua converter Điều này gây thêm tổn hao trong truyền công suất Tuy nhiên, cấu hình này sẽ cải thiện được chất lượng kỹ thuật Trong cấu hình này có thể sử dụng máy điện đồng bộ hay không đồng bộ, như trong hình 2.10 Hệ thống trong hình 2.10(a)

sử dụng hộp số với SCIG (squirrel cage induction generator) Hệ thống trong hình 2.10(b) và 2.10(c) sử dụng máy phát điện đồng bộ mà không có hộp số

18

Hình 2.10 Hệ thống turbine gió sử dung full-rated power converter giữa máy phát và lưới: (a) máy phát không đồng bộ với hộp số, (b) máy phát đồng bộ (c) máy

phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu [4]

Trong cấu hình trong hình 2.10(b), máy phát đồng bộ cần converter công suất nhỏ để kích từ, và cổ góp Ưu điểm của máy phát đồng bộ là không dùng hộp số

19

trong turbine gió Máy phát kiểu trực tiếp như vậy có đường kính lớn bởi vì moment cao Trong điều khiển không hộp số, máy phát không đồng bộ không thể sử dụng bởi vì tổn hao kích từ lớn do khe hở không khí lớn Tuy nhiên, máy điện đồng bộ có thể sử dụng turbine kiểu trực tiếp (không có hộp số), với cả loại kích từ bằng điện hay nam châm vĩnh cửu (hình 2.10(c)) Hệ thống điều khiển trực tiếp (không có hộp số) với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu mắc hơn vì giá nam châm cao, nhưng có tổn hao thấp hơn Ngày nay, giá nam châm vĩnh cửu đang giảm nhiều Nhược điểm khác của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là không điều khiển kích từ được Tất cả cấu hình trong hình 2.10 có chung đặc điểm điều khiển là converter giữa máy phát và lưới có thể điều khiển nhanh công suất tác dụng và công suất phản kháng Ngoài ra, giữa máy phát và lưới có tụ dc Nhưng sử dụng converter truyền tải tất cả công suất là nhuợc điểm của cấu hình này

2.6 Khởi động và ngắt máy phát điện gió khỏi lưới:

Khi tốc độ gió đạt xấp xỉ 7 dặm mỗi giờ, cánh quạt turbine bắt đầu quay, tại 9 đến 10 dặm/giờ, nó bắt đầu phát điện Để tránh hư hỏng, hầu hết turbine tự động ngắt khi tốc độ gió đạt tới 55 đến 65 dặm/giờ [4] Khi turbine kết nối hay ngắt khỏi lưới, dao động điện áp và dòng quá độ có thể xuất hiện Dòng cao được giới hạn bằng cách sử dụng mạch khởi động mềm

2.7 Mô hình động lực tổng thể của hệ thống turbine gió và phân tích tín hiệu nhỏ:

Trong phần tiếp theo, luận văn sẽ trình bày về mô hình của các thành phần trong hệ thống máy phát điện gió như hệ thống turbine gió, máy điện không đồng

bộ, lưới điện, tốc độ gió và những ảnh hưởng nhỏ khác đến hệ thống

2.7.1 Mô hình động lực của hệ thống turbine gió:

20

Trong mục này, mô hình động lực phi tuyến của hệ thống converter dùng cho năng lượng gió kết nối lưới được phát triển trong hệ tọa độ dqo Các mô hình động lực của sự chuyển đổi động lực gió, huấn luyện điều khiển, máy phát điện, và converter được giới thiệu

Các thành phần khác của mô hình hệ thống turbine gió và tác động qua lại giữa chúng được minh họa trong hình 2.11 Từ hình cho thấy các khối mô hình động lực gió, converter, và lưới điện Hệ thống cũng có thể chứa vài phần cơ cho việc điều khiển góc cánh quạt Trong những phần tiếp theo, thảo luận chi tiết của từng khối sẽ được trình bày

Hình 2.11 Sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống turbine gió [27]

21

số Vì vậy, công suất đầu ra của turbine gió sẽ tăng rất nhiều khi tăng tốc độ gió Thêm nữa, rotor lớn hơn cho phép turbine chắn gió nhiều hơn làm tăng công suất đầu ra Do rotor quét thành một bề mặt có hàm là bậc hai của chiều dài cánh quạt Khi tăng chiều dài của cánh quạt một ít thì sẽ tăng vùng quét của cánh quạt khá nhiều và lấy được nhiều năng lượng hơn Nhưng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, kích thước của cánh quạt trong turbine gió được giới hạn

Công suất cơ và moment cơ của trục turbine gió được cho trong phương trình (2.1) và (2.2) [28,29]

Trong đó:

PT là công suất cơ từ turbine,

TT là moment cơ từ turbine,

Ar là vùng quét của rotor = πR2 với R là bán kính cánh quạt turbine [m],

Vw là tốc độ gió [m/s],

Cp là hệ số chất lượng (hay hệ số công suất),

ρ là mật độ khối của không khí [kg/m3

],

λ là tỷ số tốc độ (TSR – tip speed ratio),

β là góc nghiêng cánh quạt rotor [rad],

ωT là tốc độ góc của turbine [rad/s]

Tỷ số tốc độ của góc cánh quạt được đinh nghĩa như sau:

(2.3)

Hệ số Cp là mối quan hệ giữa λ và góc cánh quạt rotor, β Hình 2.12 biểu thị đường cong của Cp theo λ Cp thay đổi với các giá trị khác nhau của góc nghiêng, nhưng hiệu suất tốt nhất nhận được tại β = 0 [30]

22

Hình 2.12 Đường cong Cp theo λ [4]

Đường cong hiệu suất được mô tả bằng các phương trình khác nhau trong [10,30,31] Ở đây, đường cong Cpđược phân tích xấp xỉ thành [31]:

(2.4) Giới hạn lý htuyết của Cp là 0.59 dựa theo định luật Betz, nhưng tầm thực tế là 0.2 đến 0.4 [30]

Phương trình (2.1)-(2.4) mô hình chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng

cơ trên trục turbine Sơ đồ khối của mô hình này cho trong hình 2.13

2.7.1.3 Hiệu ứng bóng tháp (tower-shadow effect):

23

Ảnh hưởng bóng tháp xuất hiện một cách tuần hoàn mỗi khi cánh quạt gió đi qua vùng của cột tháp gió [32] Điều này làm giảm moment cơ học truyền đến trục máy phát, dẫn đến giảm điện áp đầu ra.Thường thì hiệu ứng bóng tháp có tần số nhỏ, ví dụ 3 lần một vòng cho turbine 3 cánh Để tính toán cho hiệu ứng bóng tháp, xung moment có chu kỳ fTP được thêm vào moment đầu ra của mô hình động lực gió Tần số của moment có chu kỳ là [26]:

FTP = N x fr, (2.5) Trong đó N là số cánh quạt và fr là tần số rotor (Hz)

Biên độ của moment phu thuộc vào kiểu của turbine gió Như đã đề cập ở trên, đựa vào hướng gió nhận được của turbine gió, có 2 loại: upwind và downwind Hiệu ứng bóng tháp lớn hơn đối với turbine downwind Trong trường hợp này, theo quy luật ngón tay cái, biên độ xung moment bằng 0.1 p.u, dựa vào moment của turbine gió [4] Biên độ của xung moment đối với rotor upwind là nhỏ hơn so với của rotor downwind [33] Moment bóng tháp sẽ được xem như nhiễu đầu ra của sơ

đồ khối trong hình 2.13 Trong phần mô phỏng của luận văn, ta sẽ bỏ qua phần nhiễu này

Hình 2.13 Sơ đồ khối của mô hình turbine gió [4]

2.7.1.4 Mô hình cơ học:

Trong phần này, mô hình cơ học của turbine gió được trình bày Vì hằng số thời gian của một số thành phần cơ học lớn so với thành phần điện, và thông tin chi

24

tiết của thông số máy là không thể [34], mô hình cơ học được phát triển dựa vào giá trị hằng số thời gian và dữ liệu có thể Mô hình của huấn luyện điều khiển turbine gió là ba khối hợp thành một khối lớn cho turbine gió, một khối cho hộp số và một khối cho máy phát Moment quán tính của trục và hộp số có thể bỏ qua bởi vì chúng nhỏ so với moment quán tính của turbine gió và máy phát Vì vậy, mô hình cơ học cần có mô hình hai khối của động lực rotor, bao gồm một khối lớn và một khối nhỏ, tương ứng với moment quán tính turbine gió JT và moment quán tính máy phát JGnhư trong hình 2.14 Trục tốc độ thấp được mô hình như một moment quán tính, lò

xo với hệ số Ks, và bộ giảm xóc với hệ số B Một hộp số lý tưởng với tỷ số hộp số 1 : ngear giữa trục tốc độ cao và tốc độ thấp Ngoài ra, thông số của mô hình cơ còn được định nghĩa trong bảng 2.1

Hình 2.14 Mô hình động lực của turbine gió [4]

Bảng 2.1 Các tham số cơ

JT Môment quán tính turbine

[kg.m2]

ωT Tốc độ turbine gió [rad/s]

JG Môment quán tính máy phát

25

B Hệ số giảm xóc [N.m/rad] θg Góc trục máy phát [rad]

TT Môment turbine [N.m] 1:ngear Tỷ số hộp số

Te Môment điện từ máy phát [N.m]

Huấn luyện điều khiển chuyển đổi momet động lực gió TT trên trục tốc độ thấp thành moment trên trục tốc độ cao Te Động lực của huấn luyện điều khiển được mô tả bởi 3 phương trình sau:

2.7.1.5 Mô hình máy điện không đồng bộ:

Hình 2.15 là máy điện không đồng bộ 3 pha lý tưởng gồm rotor và stator Mạch tương đương của máy điện không đồng bộ cho trong hình 2.16

26

Hình 2.15 Máy điện không đồng bộ [35]

Hình 2.16 Sơ đồ mạch tương tương của máy điện không đồng bộ [4]

Hình 2.17 là đường cong moment – tốc độ, trong đó giá trị của độ trượt nằm trong khoảng 0 ≤ s ≤ 2 Hình 2.17 có hai vùng riêng biệt: kiểu máy phát (s < 0 ) và kiểu động cơ (0 ≤ s ≤ 1) Giá trị của moment động cơ và máy phát trong vùng này được quy ước như sau: Tmotor > 0 và Tgenerator < 0 Giá trị của moment trong máy phát không đồng bộ xem như là tải kết nối đầu ra của stator và bằng Tc = -Te

Trong hình 2.17, vì máy điện không đồng bộ có điện cảm nên nó sẽ hấp thụ công suất phản kháng Công suất phản kháng này tạo ra từ trường quay trong khe

hở không khí giữa rotor và cuộn dây stator Công suất phản kháng này được cung cấp bởi lưới nếu hệ thống phát điện gió kiểu kết nối lưới, hay được cung cấp bởi tụ

27

điện kết nối với stator nếu kiểu không kết nối lưới Hơn nữa, có thể thêm converter hoạt động như thiết bị bù công suất phản kháng kết nối với stator

Hình 2.17 Đường cong moment - tốc độ của máy điện không đồng bộ [35]

Điện áp đầu ra của máy phát trong vận hành không nối lưới có thể tính từ điểm giao của đường cong từ hóa của máy điện với đường trở kháng của tụ Điểm giao này chính là điểm vận hành [4] Ngoài ra, tần số đầu ra của stator được quyết định bởi lưới điện, trong khi hệ thống không nối lưới thì nó là hàm của tải, tốc độ rotor và tụ kích từ [36]

2.7.1.6 Phương pháp điều khiển V/f bằng hằng số:

Để tránh bão hòa của máy điện không đồng bộ khi thay đổi tần số stator, điện

áp stator được hiệu chỉnh sao cho V/f bằng hằng số Phương pháp này được biết đến

đề máy phát không đồng bộ không thể chạy với tốc độ thấp mà hiệu suất tốt được

Để mô hình hóa hộp số, chỉ cần xem xét đến moment máy phát có thể đơn giản việc chuyển thành tốc độ thấp bằng phép nhân Ví dụ, đối với hộp số trong hình 2.14 có thể viết:

2.7.1.9 Mô hình tốc độ gió:

Mặc dù mô hình gió không phải là một phần của mô hình turbine gió, công suất đầu ra được tính toán trên turbine gió cần đến tốc độ tức thời của gió

29

Gió rất khó để mô hình bởi vì nó thay đổi rất nhiều cả về vị trí và thời gian Điều kiện bề mặt như nhà, cây cối, và vùng có nước cũng ảnh hưởng đến gió làm nó dao động bất thường và hỗn loạn

Một tạp chí ngắn đã mô hình các kiểu tốc độ gió khác nhau Ví dụ, mô hình gió dựa vào sự chồng chất các thành phần được đề xuất trong [38] Trong phương pháp này, tốc độ gió được mô hình bởi bốn thành phần: tốc độ gió trung bình, thành phần gió dốc, thành phần gió mạnh và thành phần gió nhiễu Tuy nhiên, tính toán tất cả bốn thành phần này là nhiệm vụ phức tạp Giá trị tức thời của tốc độ gió

vw(t) có thể được mô tả bằng tốc độ gió trung bình cộng với những phần dao động của tốc độ gió như sau:

Trong đó VNM là giá trị trung bình của tốc độ gió, được tính toán như là giá trị trung bình của 10 phút, Ai là biên độ dao động tốc độ gió tại nhựng tần số khác nhau wi (i = [1,N]), N là số mẫu, ψi là góc ngẫu nhiên nằm trong khoảng [-π,π] Biên độ Ai dựa vào hàm mật độ phổ S(ω) được lấy theo kinh nghiệm sao cho hợp với sự hỗn loạn của gió Hàm S(ω) có thể tính dựa vào mô hình phổ của Van Der Hoven Sự độc lập của mô hình từ tốc độ gió trung bình là mặt hạn chế của mô hình Vì vậy, nó không thể mô hình các thành phần tần số thấp, và nó không hợp với mô tả tốc độ gió của 1 vùng trong thời gian ngắn, giây, phút hay giờ Sự phân

bố của Von-Karman được cho trong hình 2.24, thường được sử dụng để tính mật độ phổ hỗn loạn:

Hình 2.19 cho hàm mật độ phổ của phương trình (2.24) Các tham số được chọn trong mô phỏng như sau: VNM = 10 [m/s], L = 180 [m], σ = 2, N = 55

30

Hình 2.18 Dao động tốc độ gió: Không lọc và có lọc thấp [4]

Trong phương trình (2.24), σ là độ lêch tiêu chuẩn của tốc độ gió, và L là tầm hỗn loạn [m] Tham số L bằng:

20h, nếu h ≤ 30 m

Trong đó h là độ cao nơi mà tín hiệu tốc độ gió được đo [m], thường bằng với

độ cao của trục turbine

Biên độ của họa tần thứ i, Ai, dựa vào hàm mật độ phổ của phương trình (2.24), được định nghĩa như sau:

Dao động gió tức thời dựa vào mật độ phổ Von-Karman trong thời gian mô phỏng cho trong hình 2.20

31

Hình 2.18 Tốc độ gió tức thời theo thời gian [4]

Trong luận văn này, tốc độ gió được mô hình là ngẫu nhiên

32

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DÒNG RSI (ROTOR SIDE INVERTER) DÙNG VECTƠ KHÔNG GIAN

CHO DFIG

3.1 Mô hình hóa DFIG:

Phương pháp vector không gian điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống DFIG bằng cách điều chỉnh các thành phần dòng rotor trong hệ tọa độ trục vuông góc Hạn chế chính của định hướng từ thông stator là điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của việc đo vị trí vector từ thông stator Vì vậy, ở đây ta sử dụng khung tham chiếu điện áp stator để mô hình hóa và điều khiển

hệ thống DFIG

Trong các phương pháp điều khiển dòng, điều chỉnh PI dùng cho vận hành tuyến tính của DFIG Tuy nhiên, giá trị hiệu chỉnh PI này không đảm bảo tầm vận hành rộng của hệ thống DFIG [39] Vì vậy, điều khiển dòng và các thông số điều khiển của nó phải được hiệu chỉnh cẩn thận để duy trì tính ổn định của hệ thống trong tầm vận hành hay đạt được đáp ứng động cần thiết cả trạng thái xác lập và điều kiện quá độ

Trong phương pháp vector không gian, dòng ra của RSI bám theo tín hiệu dòng lệnh thông qua điều chỉnh điện áp ra của RSI (rotor side inverter) Điều này làm cho RSI ba pha làm việc như nguồn dòng có điều khiển Mạch tương đương của DFIG với kiểu điều khiển RCC (Ramp comparasion current controller) được cho trong hình 3.1a, với kiểu điều khiển SVBHCC (Space vector-based hysteresis current controller) được cho trong hình 3.1b DFIG được mô hình trong SVRF (stator voltage reference frame) và SVBHCC (space vector-based hysteresis current controller) được dùng để điều chỉnh vector dòng RSI Trong trạng thái xác lập, tần

số đóng cắt của RSI được giảm và cực tiểu dao động dòng tải [39]