Khảo sát nghiên cứu mô hình máy phát gió dfig làm việc với lưới điện và vấn đề điều khiển công suất p và q

Việc sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng tốc độ thay đổi có nhiều ưu điểm so với tốc độ cố định, trong đó nổi bật nhất là phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu công su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

- -oOo -

Tp HCM, ngày 6 tháng 7 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Quốc An Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/12/1982 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Thiết bị , mạng và nhà máy điện

MSHV: 10180066

1- TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát nghiên cứu mô hình máy phát gió DFIG làm việc với lưới điện và

vấn đề điều khiển công suất P và Q

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tổng quan năng lượng gió

- Cơ sở lý thuyết về năng lượng gió

- Vấn đề điều khiển công suất P và Q trong máy phát điện gió DFIG

- Mô hình máy phát điện gió DFIG

- Thuật toán điều khiển công suất cực đại cho turbine gió DFIG (MPPT)

- Mô phỏng các mô hình máy phát gió DFIG làm việc với lưới điện

- Kết luận và hướng phát triển

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/02/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/07/2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Kính thưa quý thầy cô!

Em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc dù

quý báu , hướng dẫn, động viên và nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn này

Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập

Kính chúc sức khoẻ quý thầy cô và các bạn

TP.HCM, tháng 7 / 2011

Học viên

NGUYỄN QUỐC AN

Chương 1: Giới thiệu đề tài

1.1 Khai triển ý tưởng đề tài nghiên cứu 1

1.2 Giới thiệu sơ lược về cấu tạo hệ thống máy phát gió 3

1.3 Máy phát điện gió nguồn kép DFIG 4

1.4 Tính cấp thiết của đề tài 5

1.5 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn 5

1.6 Phạm vi nghiên cứu luận văn 5

1.7 Ý nghĩa thực tiển của luận văn 6

1.8 Bố cục luận văn 6

1.9 Các công trình nghiên cứu có liên quan 7

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Về Năng Lượng Gió 2.1 Tốc độ gió và mối quan hệ với công suất 9

2.2 Công suất lấy ra từ gió 9

2.3 Diện tích vùng cánh quạt quét qua 10

2.4 Mật độ không khí 10

2.5 Sự phân bố tốc độ gió 10

2.5.1 Hàm phân bố tốc độ gió Weibull 11

2.5.2 Tốc độ trung bình 11

2.5.3 Nghiệm thực của bậc 3 tốc độ trung bình 12

2.5.4 Phân bố năng lượng 12

2.5.5 Ảnh hưởng của độ cao 12

2.6 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất của rotor 12

2.7 Đường cong công suất turbine gió 16

2.8 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát 17

2.9 Các kỹ thuật máy phát gió 17

2.9.1 Máy phát cảm ứng lồng sóc 18

2.9.2 Máy phát đồng bộ tốc độ biến đổi 19

2.9.3 Máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG với turbine tốc độ thay đổi 20

DFIG

3.1 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập 22

3.2 Phân bố công suất trong máy phát gió DFIG 22

3.3 Điều khiển, vận hành turbine gió DFIG 23

3.4 Điều khiển công suất turbine gió 25

3.4.1 Điều khiển tối ưu công suất 25

3.4.2 Điều khiển công suất máy phát bám công suất đỉnh 26

Chương 4: Mô Hình Máy Phát Điện Gió DFIG 4.1 Mô hình Turbine gió 28

a Mô hình về điện 28

b Mô hình về cơ 29

c Mô hình khí động lực 30

4.2 Mô hình toán học DFIG 30

4.2.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh 30

4.2.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq 34

4.3 Điều khiển định hướng công suất máy phát gió DFIG 36

4.4 Tính toán giá trị điều khiển cho dòng điện stator 38

Chương 5: Thuật Toán Điều Khiển Công Suất Cực Đại Cho Turbine Gió DFIG (MPPT) 5.1 Giới thiệu thuật toán 40

5.2 Thuật toán Hill Climb Search (HSC) 41

5.3 Bộ nhớ đáp ứng 42

5.4 Cấu trúc thuật toán 43

5.5 Thực thi giải thuật 45

a Vòng lặp dò tìm thay đổi (CDL) 46

b.Vòng lập điều chỉnh điểm hoạt động (OPAL) 47

5.6 Điều chỉnh Hill Climb Search (HSC) 48

Chương 6: Mô Phỏng Các Mô Hình Máy Phát Điện DFIG Làm Việc Với Lưới Điện 6.1 Giới thiệu 51

6.1.1 Các thành phần Pscad 51

6.1.3 Trình tự thực hiện mô phỏng 57 6.2 Mạch mô phỏng 58

6.2.1 Mô phỏng và phân tích công suất tạo ra với tốc độ gió không đổi (13m/s) và tải cố định 58 6.2.2 Dùng bộ biến đổi AC/DC/AC 66 6.2.3 Tác động của turbin gió lên lưới điện phân phối trong

trường hợp có sự cố trên lưới điện 80 6.2.4 Mô phỏng và phân tích công suất tạo ra với tốc độ gió thay đổi và điểu khiển góc pitch động 86 6.2.5 Sự khác biệt giữa 2 loại điều khiển góc pitch động và thụ động 92 6.2.6 Mô hình trang trại gió (wind farm) và tác động của

trang trại gió kết nối trên mạng lưới phân phối 97

Chương 7: Kết Luận

Tài liệu tham khảo 115

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Khai Triển ý Tưởng Đề tài Nghiên Cứu:

- Yêu cầu thực tế:

Nói năng lượng, là nói đến điện, than đá và đặc biệt là dầu và các sản phẩm từ mỏ dầu Cho đến nay, phần lớn các nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch, loại năng lượng dưới dạng tài nguyên, đào lên rồi sử dụng Mọi chuyện có thể nào như thế mãi? Câu trả lời là không!

- Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa Số năm có thể khai thác này được tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng năm hiện nay

Trữ lượng dầu là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ dầu của thế giới trong thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào giá dầu cao

Khi giá cả thị trường tăng lên,việc ứng dụng kỹ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được dầu từ những địa tầng sâu hơn được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng đầu có khả năng khai thác cũng sẽ tăng lên Nhưng nếu khai thác đến một nữa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng còn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng

Do vậy, sản lượng dầu chất lượng tốt trên toàn thế giới sẽ chuyển sang khuynh hướng giảm trong một thời kỳ sớm hơn so với số năm có thể khai thác, làm giảm khả năng duy trì sản lượng theo nhu cầu

- Năng lượng truyền thống, rẻ hay không rẻ?

Năng lượng tự nhiên, mà đại diện của nó là dầu mỏ, than đá… hiện nay được đánh giá là rẻ hơn các loại năng lượng tái tạo Phần lớn các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng suất đầu tư và và giá điện sản xuất từ gió và mặt trời khá cao, khó cạnh tranh với điện truyền thống (nhiệt điện và thủy điện) hiện nay

Hình 1.1: Các nguồn năng lượng sản xuất điện năng

Suất đầu tư cho nhà máy điện từ than xấp xỉ 1 triệu USD/MW trong khi điện gió cao gấp 1,2-1,7 lần, điện nguyên tử cao gấp 3-3,5 lần so với nhiệt điện Ngoài ra, giá thành của điện gió, điện mặt trời cũng đều cao hơn so với thủy điện, nhiệt điện…

Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững, một số nhà kinh tế cho rằng khi

so sánh các loại năng lượng này, nhiều người đã “bỏ quên” nhiều yếu tố chi phí chưa được tính đủ như: sản xuất điện từ than gây ô nhiễm lớn ảnh hưởng đến sức khỏe và mất nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm (1 nhà máy điện từ than công suất 1.000 MW, mỗi năm phải thải 6 triệu tấn CO2, 44 ngàn tấn SO2, 22 ngàn tấn NOx và nửa triệu tấn thải rắn) Trong khi

đó, khi sử dụng năng lượng sạch tái tạo được sẽ giảm khí nhà kính Chúng ta có thể “bán môi trường sinh thái” thu về nhiều triệu USD, giảm bớt sự chênh lệch chi phí giữa hai loại năng lượng

Tuy nhiên, cách tính này ít được áp dụng vào thực tế, vì nhiều quốc gia trên thế giới không tính các loại phí “môi trường” vào sản xuất năng lượng Theo một số chuyên gia, thực

tế giá thành sản xuất than và điện hiện nay cao hơn giá bán, nếu tính đủ các chi phí ngành điện không thể thu hồi được vốn để tái đầu tư nên vẫn cần Nhà nước bao cấp để bảo đảm điện năng cho tiêu dùng xã hội Hiện nay, ngành năng lượng được ưu đãi lớn, chỉ phải nộp thuế môi trường, hạch toán môi trường vào giá thành Một số chuyên gia cho rằng, nếu tính

đủ thuế sử dụng tài nguyên, thuế môi trường, tính đủ các yếu tố chi phí hạch toán vào giá thành, cắt bỏ các ưu đãi bao cấp của Nhà nước trong hạch toán kinh doanh thì ngay cả các năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện chưa chắc đã rẻ hơn việc phát triển năng lượng tái tạo, năng lượng mới

- Năng lượng tái tạo:

Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất và là nguồn năng lượng có triển vọng, đòi hỏi dung lượng truyền dẫn bổ sung và các phương tiện tốt hơn cho việc duy trì độ tin cậy của hệ thống Sự phát triển của công nghệ liên quan đến hệ thống gió công nghiệp dẫn đến sự phát triển của thế hệ các tuabin gió tốc độ thay đổi có lợi thế nhiều mặt so với các tuabin gió tốc độ cố định Các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converter-VSC) để biến tốc độ hoạt động tốt Hệ thống

nghiên cứu ở đây là hệ thống máy phát gió tốc độ biến đổi dựa trên cảm ứng đôi (Doubly Fed Induction Generator) (DFIG) Các stator của máy phát kết nối trực tiếp với lưới điện, trong

khi các cánh quạt được kết nối thông qua bộ chuyển đổi back-to-back

Hình 1.3: Turbin gió tại Tây Ban Nha

Sự hiện diện của năng lượng gió sẽ là một đáp án rất khả thi cho cuộc khủng hoảng năng lượng hóa thạch trong tương lai Do đó việc nghiên cứu năng lượng gió là biện pháp rất cần thiết nhằm hoàn thiện hơn việc chuyển đó năng lượng gió thành điện

Đối với nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, với vị trí địa lý đặc trưng, phía đông là bờ biển kéo dài trên 300km, phía tây là dãi Trường Sơn với địa hình đồi núi cao Vị trí như vậy đã mạng lại nhiều thuận lợi để phát triển nguồi điện như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng điện gió

1.2: Giới thiệu sơ lược về cấu tạo hệ thống máy phát gió:

Hệ thống máy phát gió thông thường bao gồm các thành phần sau:

· Tháp (Tower)

· Cánh quạt (Blades)

· Trục cánh quạt (Hub)

· Hệ thống hãm (Brake)

· Bộ điều khiển (controller)

· Hệ thống bánh răng chuyển đổi tốc độ (Gear box)

· Các trục truyền động ( low-speed shaft và high-speed shaft)

· Máy phát điện (Generator)

· Hệ thống điều chỉnh hướng (Yaw drive)

· Động cơ điều chỉnh hướng (Yaw motor)

· Bộ đo hướng gió (Anemometer)

· Vỏ turbine (Nacelle)

1.3 Máy phát điện gió nguồn kép DFIG:

Hệ thống biến đổi năng lượng gió bao gồm 2 phần chính là turbine gió để nhận năng lượng gió đi qua và máy phát biến đổi năng lượng gió thành năng lượng điện Hệ thống biến đổi năng lượng có thể hoạt động ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Việc sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng tốc độ thay đổi có nhiều ưu điểm so với tốc độ cố định, trong đó nổi bật nhất là phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu công suất nhận được

từ gió, điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng, giảm ứng lực tác động lên kết cấu cơ khí có sự thay đổi tốc độ gió độ ngột

Máy phát điện gió nguồn kép DFIG là hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện trong khi rotor nối thông qua bộ biến đổi công suất, máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất đặt bên trong rotor Ưu điểm nổi bật khi sử dụng DFIG là thiết bị điện tử công suất chỉ biến đổi một tỉ lệ 20-30% tổng công suất phát Có nghĩa là giảm được chi phí đầu tư do sử dụng bộ biến đổi công suất có định mức nhỏ hơn và giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng

bộ

Xét về chất lượng điện năng, vì hệ thống máy phát nguồn kép DFIG, kết nối trực tiếp với lưới điện, có khả năng điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng giữ ổn định điện áp cho lưới điện trong ngưỡng cho phép, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện Điều này có ý nghĩa quan trong hơn khi hệ thống kết nối với lưới điện yếu thông qua đường dây dài

Xét về khía cạnh kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống máy phát gió cần phải đạt chỉ tiêu về sản lượng điện hàng năm, nên cần tối ưu về công suất nhận được từ gió Như vậy,để thoả mãn đồng thời cả hai mục và công suất phản kháng để vừa thực hiện được mục tiệu tối

ưu năng lượng nhận được từ giò,đồng thời duy trì hệ số công suất ở mức cao theo mong muốn bất chấp các điều kiện vận hành công suất thực

Hệ thống biến đổi năng lượng gió của máy phát gió nguồn kép DFIG cho ta khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu cực stator máy phát thông qua bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor Do bản chất phi tuyến, điều khiển đối tượng DFIG phức tạp hơn nhiều so với điều khiển động cơ không đồng bộ thông thường

Để điều khiển DFIG, thông thường hệ thống được định hướng từ trường theo vector điện áp lưới hoặc từ thông stator nhằm phân tích tính phi tuyến như được sử dụng trong các sơ đồ điều khiển hệ thống phi tuyến

Với các ưu điểm trên, máy phát nguồn kép DFIG được xem làm giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Ngày nay, máy phát gió nguồn kép DFIG được sử dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp biến đổi năng lượng gió cho các turbine lớn với công suất lắp đặt lên đến 5MW

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, con người đã làm

ra những phần mềm mô phỏng như Atp, Pscad, Emtp, Matlab,Psim… Để hổ trợ mô phỏng và

tính toán những bài toán về phương pháp số một cách nhanh chóng với độ chính xác cao Chính vì những lý do trên mà đề tài “Khảo sát nghiên cứu mô hình máy phát gió DFIG làm việc với lưới điện và vấn đề điều khiển công suất P và Q” đươc hình thành

1.4 Tính cấp thiết của đề tài:

Việc sử dụng hệ thống biến đổi năng lượng gió DFIG có nhiều ưu điểm so với các hệ thống biến đổi năng lượng khác cả về khía cạnh chất lượng điện năng lẫn khía cạnh kinh tế Khi sử dụng năng lượng gió hiệu quả ta có thể :

- Tiết kiệm nhiên liệu sản xuất điện năng như dầu ,than đá v.v

- Có khả năng thay thế nhanh

- Giảm các chất thải độc hại từ các công trình năng lượng vào môi trường xung quanh

- Nếu nhìn ra thế giới thì việc phát triển điện gió đang là một xu thế lớn, thể hiện

ở mức tăng trưởng cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Khác với điện hạt nhân vốn cần một quy trình kỹ thuật và giám sát hết sức nghiêm ngặt, việc xây lắp điện gió không đòi hỏi quy trình khắt khe đó Với kinh nghiệm phát triển điện gió thành công của Ấn Độ, Trung Quốc và Philippin, và với những lợi thế về mặt địa lý của Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển năng lượng điện gió để đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế

1.5 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn:

Với những tiềm năng như trên nên nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn là:

- Mô tả ba loại chính khác nhau của công nghệ máy phát điện gió

- Giới thiệu về các phương trình chuyển đổi năng lượng trong hệ thống phát điện gió

- Nghiên cứu các mô hình máy phát đồng bộ nguồn kép DFIG và vấn đề điều khiển công suất P và Q

- Sử dụng phần mềm Pscad/Emtp để mô phỏng sơ đồ hệ thống phát điện gió nguồn kép DFIG kết nối với lưới điện dưới các điều kiện khác nhau

- Nghiên cứu tác động của sự gia tăng cấp độ công suất gió và ảnh hưởng của máy phát điện gió DFIG lên ổn định mạng khi thực hiện

- Đề xuất cách tốt nhất đối phó với sự mất ổn định gây ra bởi sự tích hợp của máy phát điện gió

1.6 Phạm vi nghiên cứu của luận văn:

- Báo cáo chỉ tập trung trên những sự nghiên cứu nhất thời Ngoài ra các mô hình sử

dụng trong mô phỏng là phiên bản đơn giản hóa của các mô hình máy thực tế

- Lịch sử phát triển và hiện trạng sử dụng năng lượng điện gió ở một số quốc gia trên thế giới

- Mô tả cấu tạo hệ thống phát điện gió và mô hình máy phát gió DFIG

- Giới thiệu về sự chuyển đổi năng lượng và các phương trình cơ bản trong hệ thống phát điện gió

- Ứng dụng phần mềm Pscad để mô phỏng một số dạng turbine gió

1.7 Ý nghĩa thực tiển của luận văn:

- Năng lượng gió hiện nay có mức độ ngày càng phát triển , dự kiến đến năm

2020 sẽ có 12% năng lượng trên thế giới được cung cấp từ năng lượng gió

- Máy phát nguồn kép DFIG được xem làm giải pháp cho các hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi Ngày nay, máy phát gió nguồn kép DFIG được sử dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp biến đổi năng lượng gió

- Năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch cần phải phát triển và khai thác để sử dụng

- Việt Nam là vùng có tiềm năng năng lượng gió chưa được điều tra đánh giá đầy đủ Có thể thấy rằng một số vùng thuộc các hải đảo và ven biển miền trung lại có tốc

độ gió khá cao,phù hơp với phát điện gió

1.8 Bố cục luận văn:

Luận án này được tổ chức như sau:

- Chương 1 Giới thiệu đề tài: giới thiệu luận án để cung cấp cho người đọc và làm

rõ các chủ đề nghiên cứu và tổ chức Mô tả các bài đánh giá trên các nghiên cứu

đã được thực hiện trước đó và cung cấp một nền tảng các dựa trên kết quả và kết luận của báo cáo

- Chương 2 Cơ sở lý thuyết về năng lượng gió:Trình bày các phương trình năng

lượng gió, công suất nhận được và sự phân bố năng lượng của gió

- Chương 3 Vấn đề điều khiển công suất P và Q trong máy phát gió DFIG: Nội

dung trình bày về sự phân bố công suất, điều khiển,vận hành và tối ưu công suất trong máy phát nguồn kép DFIG

- Chương 4 Mô hình máy phát điện gió DFIG: Nội dung trình bày mô hình,các

phương trình toán học máy phát gió nguồn kép DFIG trong các hệ quy chiếu quay

và hệ quy chiếu cố định Điều khiển định hướng máy phát gió DFIG

- Chương 5 Thuật toán điều khiển công suất cực đại cho turbine gió DFIG (

Maximum Power Point Tracking- MPPT ) : Trình bày cấu trúc và thực thi giải

thuật của thuật toán điều khiển hệ thống hoạt động bám điểm công suất cực đại

MPPT sử dụng phương pháp HCS (Hill Climb Search)

- Chương 6 Mô phỏng các mô hình máy phát điện DFIG làm việc với lưới

điện :Trình bày các kết quả mô phỏng cho các trường hợp nghiên cứu Các kết

quả này được trình bày dưới đồ thị và bảng kết quả lưu lượng tải

- Chương 7 Kết luận: Trình bày các kết luận đã được rút ra từ mô phỏng, so sánh kết quả với lý thuyết được đưa ra

1.9 Các Công Trình Nghiên Cứu Có Liên Quan:

Bài báo “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines” của tác giả Andreas Petersson nội dung đề cập đến: Các mô hình, phân tích và điều khiển máy phát điện turbine gió DFIG Các phương pháp điều khiển rotor hiện tại được nghiên cứu với mục tiêu loại bỏ ảnh hưởng của lực điện trở lại (back electromotive force -EMF) Đáp ứng hệ thống turbine gió DFIG với các rối loạn trên lưới, mô phỏng và xác minh thực nghiệm

“Modeling of Wind Turbine for Power System Studies” của tác giả Tomas Petru nội dung đề cập đến : Chất lượng điện năng khi có máy phát turbine gió kết nối với lưới điện và phân tích khi có sự cố trên lưới Phản ứng của hệ thống turbine tốc

độ cố định và tốc độ thay đổi kết nối tới lưới điện , cấu trúc mô hình đáp ứng với lưới điện khi có sự cố

“A Study Of Brushless Doubly-Fed (Induction) Machines” của tác giả Paul Roberts , nội dung đề cập đến : mô tả các phương trình lý thuyết và từ đó đưa ra kỹ thuật điều khiển phi tuyến có sử dụng tín hiệu hồi tiếp để điều khiển máy phát DFIG

“Stability Improvement of a Wind/Diesel System Using an Energy Storage Unit” của tác giả Chung Der Chyuan , nội dung đề cập đến : phân tích và mô phỏng

hệ thống máy phát gió/diesel dùng chương trình mô phỏng Pscad/Emtdc Phân tích từng hệ thống máy phát riêng biệt sử dụng mô hình toán và mô hình hóa chúng bằng chương trình mô phỏng Phân tích ổn định động trong hệ thống turbine gió/diesel và các kỹ thuật cải thiện ổn định hệ thống

“Transient and Dynamic Stability on Wind Farms” của tác giả Aleksandar Radovan Katancevic , nội dung đề cập đến : Sự ổn định tạm thời và ổn định động trong các trang trại gió (wind farm) Điều tra hiệu suất của mô hình điển hình chi phí thấp cho hai lại máy phát điện gió dựa trên các mô hình chuẩn Nghiên cứu phương pháp để giữ cho chi phí dự án xuống thấp và để cung cấp các mô hình nhà máy điện tổng quát Xem xét mô hình điển hình của một trang trại gió điển hình bao gồm số lượng lớn các đơn vị máy phát 2 MW kết nối với lưới điện thông qua đường truyền duy nhất

“Research On Graphical Modeling And Low Voltage Ride-Through Control Strategies Of Doubly Fed Induction Wind Generator System” của tác giả Ling Feng , nội dung đề cập đến : mô hình hóa và điều khiển turbine gió DFIG Điều khiển vector điện áp DFIG chống lại sự sụp đổ điện áp lưới Cấu hình lại cho hệ thống máy phát gió công suất cao

“An Adaptive Control Algorithm For Maximum Power Point Tracking For Wind Energy Conversion Systems” của tác giả Joanne Hui , nội dung đề cập đến : Đề xuất thuật toán đáp ứng mới cho việc hiệu chỉnh công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking -MPPT) trong hệ thống năng lượng gió Thuật toán điều khiển được

đề xuất cho phép máy phát điều chỉnh điểm hoạt động công suất tối ưu dưới sự thay đổi liên tục của gió Thuật toán không cần thông tin về đặc tính cơ học turbine như là

năng bộ nhớ để đáp ứng turbine gió bất kỳ (đáp ứng tốc độ gió đã lưu trong bộ nhớ)

và điều khiển tốc độ rotor tối ưu với tốc độ gió chưa hề xuất hiện dùng phương pháp điều chỉnh Hill Climb Search (HSC) Mô phỏng thuật toán điều khiển hệ thống năng lượng gió kết nối với lưới điện dùng phần mềm PSIM

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ:

2.1 Tốc độ gió và mối quan hệ với công suất:

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc v Khối lượng

đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian t là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn

sử dụng năng lượng gió

Động năng của khối lượng m không khí di chuyển với vận tốc v cho bởi:

V: vận tốc của không khí (m/s)

Mật độ công suất do gió tạo ra:

P = ρAv3 (W/m2)

2.2 Công suất lấy ra từ gió:

Công suất nhận bởi cánh quạt roto là sự chênh lệch giữa hướng ngược và xuôi của nguồn năng lượng gió:

V0 : vận tốc ở ngõ ra cánh quạt roto

Xét về lý thuyết thì giá trị của Cp lớn nhất là 0,59

2.3 Diện tích vùng cánh quạt quét qua:

Đối với turbine gió truc ngang vùng này được tính:

Trong đó P : áp suất không khí

T : nhiệt độ không khí tại nơi cần xác định

R : hằng số khí Mật độ không khí bình thường , áp suất 1 atm , 600F là 1,225 kg/m3 Nhiệt độ và áp suất thay đổi nhiều theo độ cao và được xác định theo phương trình sau:

Tốc độ gió có quan hệ tỉ lệ bậc 3 với công suất nên nó phải được đánh giá đúng mức

ở những vùng có tiềm năng , gió phụ thuộc vào thời tiết, vùng biển hay đất liền và độ cao so với mặt nước biển do đó gió luôn bất thường, không điều đặn Tốc độ gió thay đổi theo từng phút, giờ, ngày, mùa và năm Nên tốc độ trung bình phải xác định trong 10 năm hoặc hơn thế, việc xác định trong thời gian dài nhằm mục đích tăng độ tin cậy cho mức độ năng lượng

nơi cần xác định Tuy nhiên việc đo đạc trong thời gian dài tỏ ra tốn kém mà có những công việc không thể chờ đợi thời gian dài được Ta có thể thực hiện việc đo đạc này trong 1 năm

và so sánh kết quả với nơi gần nhất đã được khảo sát trong thời gian dài Việc đo đạc như vậy được gọi là kỹ thuật “measure, correlate and predict (mcp)”

Sự thay đổi vận tốc gió thường được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Một trong những hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull

2.5.1 Hàm phân bố tốc độ gió Weibull:

Sự khác nhau của tốc độ gió được miêu tả tốt nhất ở hàm khả năng phân bố Weibull

‘h’ với 2 tham số, tham số hình dạng ‘k’ và tham số ‘c’, hàm khả năng được miêu tả theo phương trình sau:

h(v) =

Trong đó k > 0, c > 0 lần lượt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ.Chỉ số k xác định hình dạng của đường cong (xem hình dưới), với giá trị k cao hơn cho cho ta một phân phối tần số hẹp hơn với ít giá trị tiêu cực Giá trị của k thường nằm trong khoảng 1.5 – 3.0 Giá trị C xác định

độ lớn của đường cong và thường có giá trị xấp xỉ v 0.9 Các thông số trong phương trình được bắt nguồn bởi các đường cong phù hợp với dữ liệu tốc độ gió được tạo ra bởi mô hình

Hình 2.1: Hàm phân bố tốc độ gió Weibull với trị số k từ 1.5 3.5

2.5.2 Tốc độ trung bình:

Dạng tốc độ gió được xác định với tốc độ tại điểm tập trung hàm phân bố, ở dạng tốc

độ này gió thổi hầu hết thời gian Tốc độ gió trung bình được xác định:

Vmean =

Cho phân bố Rayleigh tốc độ trung bình xấp sỉ được tính như sau:

Vmean = 0,9 c

2.5.3 Nghiệm thực của bậc 3 tốc độ trung bình:

Công suất gió tỉ lệ bậc 3 với tốc độ và năng lượng tập hợp cả năm tích phân của

h.v3.dv cho nên nghiệm thực của bậc 3 tốc độ được xác định như sau:

Vrmc =

Tốc độ rmc được dùng cho việc tính nhanh trữ lượng năng lượng hàng năm của một vùng và năng lượng trung bình hàng năm được tính:

Prmc = 0,25ρ W/m2

2.5.4 Phân bố năng lượng:

Hàm phân bố năng lượng được xác định như sau:

e = [số KWh đóng góp trong năm với tốc độ gió từ v đến v + v]/ v

Hình vẽ bên dưới là dạng phân bố tốc độ rayleigh Đường cong tốc độ gió ở kiểu 5,5m/s và tốc độ trung bình là 6,35m/s Do quan hệ tỉ lệ bậc 3 với tốc độ, năng lượng lớn nhất có thể đóng góp được ở tốc độ 9,45m/s, nếu cao hơn tốc độ này mặc dù v3 tiếp tục tăng

ở dạng bậc 3 nhưng số giờ ở tốc độ này giảm nhanh hơn v3

kết quả là năng lượng đóng góp hàng năm giảm Điều này tạo ra lợi thế cho việc thiết kế hệ thống năng lượng điện gió hoạt động với tốc độ khác nhau ở cấp độ có thể lấy được năng lượng cực đại trong thời điểm tốc

độ gió cao

Hình 2.2a

Hình 2.2b

2.5.5 Ảnh hưởng của độ cao:

Khi di chuyển cao lên so với mặt đất thì tốc độ gió cũng tăng lên theo độ cao theo biểu thức sau:

Trong đó: v1 : tốc độ gió đo được ở độ cao h1

v2 : tốc độ gió đo được ở độ cao h2

: hệ số ma sát mặt đất Giá trị là giá trị phụ thuộc vào địa hình Hệ số ma sát là thấp ở những vùng bằng phẳng và cao ở những nơi gồ ghề

2.6 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất của rotor:

Công suất cơ (hay năng lượng thực tế) lấy được từ gió PR bởi cánh quạt turbine bằng

sự chênh lệch giữa động năng tích trữ trong gió vùng trước cánh quạt có vận tốc v với động năng của gió ở sau cánh quạt có vận tốc vd :

Pcơ = PR =

Với Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt turbine (hay cũng là hiệu suất rotor)

Cp =

trong đó = là tỉ số tốc độ gió sau cánh quạt với tốc độ gió đi vào cánh quạt

Để tìm hệ số công suất lớn nhất ta lấy đạo hàm Cp theo và cho đạo hàm này bằng 0

=

Hệ số công suất cực đại Cpmax =

Giá trị lý thuyết Cpmax chỉ ra rằng turbine không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lượng từ gió, đây còn được biết đến như là giới hạn Betz Đường cong hiệu suất rotor được cho ở hình bên dưới:

Hình 2.3: đường cong hiệu suất rotor lý thuyết

Ở công thức trên ta tìm được Cpmax , giới hạn công suất có thể nhận được nhưng công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại turbine cụ thể cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

Nhận xét: nếu rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt gần như bằng 0, hệ quả là hiệu suất rotor gần bằng 0 Như vậy với một vận tốc gió cho trước thị hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát

Hiệu suất rotor được biễu diễn theo tỉ số (Tip Speed Ratio), là tỉ lệ giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hướng vuông góc với mặt phẳng của cánh quạt

với là tốc độ quay của turbine [rad/s] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m]

Hình 2.4: công suất đầu ra phụ thuộc vào tốc độ turbine rotor và tốc độ gió

Hình 2.5: Góc pitch của cánh quạt gió

Hiệu suất rotor không chỉ phụ thuộc vào mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió [rad] xoay quanh trục của chính nó, bởi vì hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió có trang bị thiết bị điều khiển góc pitch như hình trên Cp là một hàm phi tuyến và khá phức tạp, nhà chế tạo thường cho giá trị Cp đối với turbine như là hàm của và góc Công thức gần đúng tính toán đường cong hiệu suất rotor như sau:

Cp( , ) = 0,22( )

Giá trị i được cho bởi biểu thức:

Hình 2.6: Đường cong hiệu suất rotor Cp ( ) Điều khiển công suất thực: công suất được điều khiển để đi theo đường đặc tuyến công suất - tốc độ đã định trước ABCD

2.7 Đường cong công suất turbine gió:

Một trong những thông sồ kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió chính

là đường cong công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng và được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.7: đường cong công suất lý tưởng của turbine gió

- Vận tốc gió cut-in (Vc) : là vận tốc gió tối thiểu cần có để thắng ma sát và tạo ra công suất

- Vận tốc gió định mức (VR): Công suất đầu ra tăng theo lũy thừa bậc 3 của vận tốc gió khi vận tốc gió tăng lên Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức đã thiết kế Khi tốc độ gió lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbine lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát

- Vận tốc gió cut-out (VF): khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng VF thì hệ thống turbine cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng 0

- Điều khiển góc pitch là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển công suất cơ tạo

ra bởi turbine bằng cách thay đổi góc quay của canh quạt quanh trục của nó Hầu hết các turbine gió tốc độ thay đổi được trang bị bộ điều khiển góc pitch

- Khi vận tốc gió lớn cần phải hạn chế công suất đưa vào turbine để giới hạn công suất cơ bằng công suất định mức Khi vận tốc gió dưới tốc độ định mức, turbine cần sản sinh

ra công suất lớn nhất có thể bằng cách điều khiển góc pitch để cực đại hóa năng lượng nhận được

2.8 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát:

Hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số nhất định phụ thuộc vào thiết kế động học của từng loại turbine Vì lý do kinh tế, thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió cần đạt được sản lượng điện hàng năm tối đa Để làm được như vậy, trong vận hành cần phải liên tục thay đổi tốc độ rotor theo từng tốc độ gió để cho luôn bằng với giá trị yêu cần tạo ra Cp max

Theo lý thuyết cũng như vận hành thực tế cho thấy khi làm việc với rotor được điều chỉnh tốc độ theo sự thay đổi của tốc độ gió để bám những điểm công suất cực đại sẽ đạt nhiều hơn 20% đến 30% sản lượng điện năng so với vận hành với tốc độ cố định

2.9 Các Kỹ Thuật Máy Phát Gió:

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thường trong pham vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ ) hoặc tốc độ thay đổi

Đối với turbine gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, vì tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới nên hầu như không thể điều khiển và

do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió, dẫn đến khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện

Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị

thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế Như vậy chất lượng điện năng

do ảnh hưởng bởi turbine gió tốc độ thay đổi được cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định

Các kỹ thuật máy phát gió thường được sử dụng gồm:

- Máy phát cảm ứng lồng sóc (Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng

2.9.1 Máy phát cảm ứng lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator ) (SCIG)

Trước đây được gọi là máy phát tốc độ cố định hoặc tốc độ không đổi, tua bin gió tốc

độ cố định bao gồm một máy phát điện lưới trực tiếp cùng cảm ứng lồng sóc Rotor turbin gió được ghép thành đôi đối với máy phát qua một hộp số Trong đa số những turbin tự nhiên này, công suất nhận từ gió bị giới hạn bởi hiệu ứng stall trong thời gian tốc độ gió cao Rotor được thiết kế theo cách giảm tác động khí động học khi tốc độ gió cao, do đó ngăn ngừa công suất cơ nhận được từ gió trở nên quá lớn Hiệu ứng stall giảm thiểu việc sử dụng các hệ thống điều khiển tích cực Như đã đề cập trước , turbine gió tốc độ cố định không sử dụng bất kỳ bộ biến đổi nào, nó được kết nối trực tiếp vào lưới thông qua 2 cuộn dây biến áp khi điện áp DG thường thấp hơn nhiều so với điệp áp lưới Khi máy phát tốc độ cố định cảm ứng hơn,người ta hướng tới sự tiêu thụ công suất cảm kháng cao và cuối cùng hạ thấp điện áp đầu cuối Điều này thường được bù trừ bởi các tụ điện bằng cách kết nối đến rotor trước khi kết nối với mạng lưới Sơ đồ khối của tốc độ cố định và sự kết nối vào mạng lưới được hiển thị trong hình dưới

Hình 2.8 : sơ đồ máy phát cảm ứng lồng sóc

2.9.2 Máy phát đồng bộ tốc độ biến đổi (variable speed synchronous generator):

- Bao gồm 2 loại chính : Máy phát đồng bộ điều khiển trực tiếp (DDSG) driven synchronous generator) và Máy phát đồng bộ điều khiển qua bộ biến tần (CDSG)

(direct-(Converter driven synchronous generator)

Máy phát đồng bộ có thể được điều khiển trực tiếp hay bộ biến tần điều khiển, trong

đó sau này hộp số kết nối máy phát đồng bộ thông qua bộ biến tần tới lưới điện.Loại turbine gió này thường được gọi là máy phát đồng bộ đa cực (multipole synchronous generator ) với

sự ghép nối AC/DC/AC

Điều khiển trực tiếp máy phát gió có thể dùng cuộn dây rotor hoặc được kích thích dùng nam châm vĩnh cửu Nó được ghép vào lưới thông qua bộ biến tần nguồn áp hồi tiếp (back-to-back voltage source converter) hoặc 1 diode chỉnh lưu và bộ biến tần áp Máy phát đồng bộ là máy phát đa cực tốc độ thấp;do đó không cần thiết có hộp số (gear box) Tương tự như ở doubly-fed, công suất thu được từ gió bị giới hạn bởi khoảng cách giữa cánh rotor ở tốc độ gió cao Cho việc biến đổi tốc độ, máy phát đồng bộ phải được kết nối tới lưới thông qua bộ chuyển đổi tần số Máy phát được kết nối tới một mạch DC trung gian bởi diode chỉnh lưu Bộ biến tần PWM được kết nối với mạng thông qua 1 bộ lọc Mức độ của sóng hài trong điện áp tại điểm kết nối là rất thấp Đây loại máy phát điện mà là hoàn toàn tách rời từ mạng bộ biến đổi điện, cho phép các turbine gió nhanh chóng khôi phục hoạt động bình thường và thậm chí hỗ trợ phục hồi điện áp bằng cách tạm thời giảm bớt công suất tích cực

để tạo thêm công suất phản kháng

Sơ đồ máy phát đồng bộ điều khiển trực tiếp (DDSG) được trình bày ở Hình dưới:

Hình 2.9: Máy phát đồng bộ điều khiển trực tiếp Một loại máy phát điện đồng bộ ngày càng được sử dụng trong lĩnh vực hệ thống điện là máy phát đồng bộ bộ biến tần điều khiển (CDSG) như hình dưới

Gần giống như điều khiển trực tiếp, nhưng khác ở chổ là có một hộp số duy nhất với tỷ lệ thấp được dùng để cho phép một số lượng thấp các cực và do đó máy phát nhỏ hơn các máy phát trực tiếp nguyên bản Điện áp của hai loại máy phát có dạng tương tự

Hình 2.10: Máy phát đồng bộ điểu khiển bằng bộ biến tần (Converter driven

synchronous generator)

2.9.3 Máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG với turbine gió tốc độ thay đổi

(Doubly-fed Induction Generator) (DFIG)

Turbine gió tốc độ biến đổi thì phức tạp hơn turbine gió tốc độ cố định Mô hình rotor của DFIG khác với turbine gió tốc độ cố định; hiệu suất phụ thuộc vào tỷ lệ tốc độ đỉnh l cũng như góc pitch Kiểu máy phát này cho phép hoạt động tốc độ biến đổi được Bộ biến đổi nguồi áp hồi tiếp được dùng để nuôi các cuộn dây rotor máy.Tương tự với máy phát tốc độ cố định, rotor turbine gió gắn với máy phát thông qua hộp số Công suất thu được từ gió bị giới hạn bởi việc ghim chặt cánh rotor khi đạt tốc độ cao

Hình 2.11: Máy phát cảm ứng nguồn kép với turbine gió tốc độ thay đổi (DFIG) Một bên bộ biển đổi điện (ac-dc-ac) được kết nối với cuộn dây rotor máy phát cảm ứng, bên còn lại được nối với các thiết bị đầu cuối stator mà sau đó được kết nối với lưới điện tiêu thụ Phần lớn công suất đầu ra máy phát gió được chuyển thông qua cuộn stator, công suất biến đổi được chuyển qua bộ biến đổi công suất bên tiêu thụ

Bộ biến đổi được thiết lập bởi 2 bộ biến tần theo phương pháp điều chế chiều rộng xung(PWM) với 1 mạch DC trung gian Thiết kế turbin kiểu tốc độ thay đổi này có thể điều

khiển độc lập công suất phản kháng của công suất thực, điều này làm cho nó trở nên có khả năng tham gia vào điều khiển điện áp lưới DFIG(Doubly Fed induction Generator) thường được kết nối với mạng lưới thông qua một biến áp 3 pha, trái với các biến áp 2 pha đang được sử dụng trong các turbine gió tốc độ cố định Sơ đồ máy phát cảm ứng doubly-fed (DFIG) được trình bày ở hình dưới:

Hình 2.12: Sơ đồ khối cơ bản của máy phát gió DFIG với bộ biến đổi AC/DC/AC Trong thực tế điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện vì thế sẽ có 3 cuộn dây , 1 cuộn sơ cấp nối tới mạch stator và cuộn sơ cấp còn lại nối với mạch rotor Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source Converter) có biên độ và tần số thay đổi thường dùng linh kiện điện tử công suất IGBT Khi hòa đồng bộ với lưới điện thì dòng năng lượng qua máy phát có thể xảy ra 2 trường hợp:

- Chế độ vận hành dưới đồng bộ, gió thổi cánh quạt turbine quay với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, hệ số trượt s >0 , máy phát lấy năng lượng từ lưới thông qua rotor

- Chế độ vận hành trên đồng bộ, gió thổi cánh quạt turbine quay với tốc độ cao hơn tốc độ, hệ số trượt s <0, máy phát hoàn năng lượng về lưới qua rotor

CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT P VÀ Q TRONG MÁY PHÁT

ĐIỆN GIÓ DFIG

3.1 Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập:

Sơ đồ tương đương DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ở hình sau:

Hình 3.1: sơ đồ mạch tương đương DFIG ở chế độ xác lập

3.2 Phân bố công suất trong máy phát gió DFIG:

Công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor được xác định như sau: = 3Vs = 3Rs |Is|2 + j3wsLls |Is|2 + j3ws m

Ta thấy răng sự phân bố công suât tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt Công suất qua mạch rotor ngược dấu và xấp xỉ bằng công suât cuộn stator nhân với hệ số trượt Pr = -sPs còn được gọi là công suất trượt

Nhận xét: khi hệ thống biến đổi năng lượng gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ w = 30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong pham

vi s = 0.3 thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết kế bằng 20 – 30% so với công suất định mức của máy phát Định mức của bộ biến đổi công suất có quan

hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn do đó chi phí cho bộ biến đổi công suất tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm

3.3 Điều khiển,vận hành turbine gió DFIG:

Trong quá trình vận hành turbine gió DFIG , vấn đề cần thiết hệ thống điều khiển turbine gió DFIG nhằm mục tiêu :

- Điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện

- Điều khiển hoạt động turbine bám điểm vận hành tối ưu nhằm thu được công suất cực đại từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào tránh hiện tượng quá tải khi tốc độ gió lớn

Các hệ thống phụ như khí động học, cơ học, điện v.v của turbine có phạm vi thời hằng khác nhau và thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời hằng cơ hay nói cách khác quá trình điện động thường diễn ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình động học cơ khí Quá trình điều khiển tổng thể hệ thống biến đổi năng lượng gió DFIG gồm 2 phần: Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ) và Điều khiển turbine gió

- Kênh điều khiển DFIG bao gồm việc điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor

và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới

- Kênh điều khiển turbine gió có đáp ứng động chậm hơn , bao gồm việc điều khiển tốc độ và công suất đầu vào, giám sát điều khiển góc pitch turbine gió và giá trị đặt cho công suất tác dụng trong điều khiển máy phát DFIG Do đó nó cung cấp tín hiệu điều khiển trực tiếp cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu điều

Hệ thống điều khiển tổng thể turbine gió như sau:

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG

Hệ thống điều khiển tổng thể DFIG đòi hỏi các tín hiệu đo lường :

- Dòng điện rotor

gán bởi yêu cầu người vận hành, chẳng hạn trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất kháng để hổ trợ điện áp lưới

kích cỡ của bộ biến đổi công suất, tỷ số điện áp stator và rotor

Kênh điều khiển turbine tạo ra 2 tín hiệu điều khiển:

· Giá trị điều khiển công suất tác dụng là giá trị đặt cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy phát

và công suất đo lường tại điểm M Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn định mức, kênh điều khiển turbine sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát để turbine nhận được công suất tối đa từ gió

· Giá trị điều khiển góc Pitch Beta được đưa trực tiếp đến cánh quạt turbine, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất Giá trị này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo lường và công suất định mức (giá trị danh định của turbine được cho bởi nhà chế tạo) Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn , kênh điều khiển turbine sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ cho công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển turbine Khi tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển turbine sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị Beta để lượt bớt công suất và ra lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển bằng giá trị định

phạm vi được định trước

3.4 Điều khiển công suất turbine gió:

Thiết kế và vận hành hệ thống biến đổi năng lượng gió thường được vận hành theo 2 chế độ:

- Chế độ thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số, lưới điện được cung cấp 1 lượng công suất không đổi, tuy nhiên năng lượng từ gió không được

sử dụng hiệu quả

- Chế độ thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất, tối ưu hóa năng lượng nhận được từ gió trong một phạm vi thay đổi tốc độ làm việc cho phép, chế độ vận hành này thường được sử dụng cho các turbine công suất lớn, tuy nhiên dòng công suất đưa lên lưới thay đổi

3.4.1 Điều khiển tối ưu công suất

Theo cách này tốc độ gió được đo lường liên tục Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu theo từng giá trị tốc độ gió

và do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu Mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng và được biểu diễn như hình sau:

Hình 3.3: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió

Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn Vc, turbine gió không làm việc vì công suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng để tránh quá dòng cho máy phát

Khi tốc độ gió đầu vào vượt qua Vc, công suất phát ra nhỏ hơn công suất định mức, tốc độ rotor được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió để giữ cho bằng hằng số tương ứng với giá trị của Cp, vùng làm việc này được gọi là miền Cp cực đại

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng đến giá trị VR , công suất đầu ra đạt đến giá trị định mức theo thiết kế của máy phát Khi đó , tốc độ rotor được điều chỉnh để làm việc với sao cho Cp nhỏ hơn giá trị tối ưu và turbine gió được vận hành ở công suất định mức tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền công suất không đổi

Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn VF , turbine gió được ngắt ra để bảo vệ máy phát và các bộ phận cơ khí khác

3.4.2 Điều khiển công suất máy phát bám công suất đỉnh

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo w, tức là:

Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định tốc độ gió Theo nguyên lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu

ra được đo lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỉ số Nếu tỉ số này dương , nghĩa là có thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách nâng tốc độ của rotor Mặc khác nếu tỉ số này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta tăng tốc độ rotor Tốc độ của rotor được duy trì sao cho gần giá trị 0

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào Cả 2 chiến lược này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P – Cp tối ưu

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG 4.1 Mô hình Turbine gió:

Mô hình của một turbine gió bao gồm: một bộ phận điện, một bộ phận cơ, một

bộ phận khí động lực và hệ thống điều khiển, mô hình điều khiển cung cấp góc điều khiển cánh cho cánh quạt theo kiểu khí động lực, điều khiển bao gồm ngăn ngừa sự cố hệ thống, bên cạnh điều khiển cung cấp góc điều khiển cánh Bộ phận khí động lực được điều khiển bởi tốc độ gió

Nguyên tắc chung của Turbine gió là rotor chuyển động năng của gió thành cơ năng, và tại điểm kết nối với đường dây, ở đó năng lượng được tạo thành Giai đoạn cuối cùng của turbine gió là mang đến cho hệ thống điện một điện áp UWTT và dòng điện IWTT và

ở một khâu cuối cùng của bộ phận cơ là cung cấp cho máy phát moment Tag và tốc độ máy phát gen , ngõ ra của phần điện là công suất tác dụng PMS và công suất phản kháng QMS ở trên khoá chính, tương ứng với điện áp và dòng điện đo được trên hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển cho mô hình điện bao gồm góc ss của khời động mềm

Hình 4.1a: Mô hình chung của hệ thống turbine gió

Điện áp UMS và dòng điện IMS trong hình trên lấy từ máy biến áp nấc ở nấc điện áp

thấp nhất, tương ứng với điểm mà ở đó hệ thống điều khiển thực tế đo điện áp và dòng điện

trên khoá chính

b Mô hình về cơ:

Bộ phận cơ của turbine gió về cơ bản gồm hai khối kết nối bởi trục mềm và với hệ

số cứng kms , độ giảm xòc cms thông qua cơ cấu bánh răng chuyển đổi theo tỉ lệ 1:f và được

biểu diễn như hình sau:

Hình 4.1c: Mô hình bộ phận cơ của turbine

Khối dùng trong dạng này tương ứng với quán tính lớn của cánh turbine IWTR mô tả

về cánh quạt và truc cánh quạt và quán tính nhỏ mô tả cho máy phát không đồng bộ

Moment Tae được cung cấp như hình ( 4.1b) và góc WTR của rotor turbine gió nhận được từ

tốc độ của rotor ở một khía cạnh khác Cơ cấu có tính cứng và giảm xóc được thiết kế trên

trục tốc độ thấp nhưng tính linh hoạt ở các bánh răng và trên trục tốc độ cao cũng có thể

được bao gồm ở đó nếu chúng được hiệu chỉnh cho tỉ lệ các bánh răng

Tỉ lệ bánh răng trong thiết kế bình thường sẽ có được độ chính xác cao, trong khi độ

cứng và độ chống xóc không chắc chắn bằng Khi máy phát bị lỗi, dạng này có thể làm suy

giảm đi độ chính xác bởi các hệ số kms và cms và quán tính đương Ieq được xác định theo

là hệ số tip-speed-ratio , và được tính bằng

: góc pitch điều khiển cánh quạt

=> Pae =

Moment ngõ ra : Tae =

4.2 Mô hình toán học DFIG

4.2.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh

Các giả thiết khi xét máy điện đồng bộ 3 pha rotor dây quấn:

- Các cuộn dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, dây quấn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình Y – Y

- Khe hở không khí đồng nhất

- Bỏ qua tổn hao dòng quấn và tổn hao sắt từ

- Hiện tượng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản Dòng từ hóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe từ

- Hệ phương trình thu được trên cơ sỏ sóng cơ bản của các đại lượng dòng, áp và từ thông, moment hài chưa được quan tâm

Xuất phát từ phương trình điện áp stator và rotor của máy điện không đồng bộ rotor dây quấn:

Hình 4.2a: sơ đồ tưởng đương RL của stator và rotor

Các đại lượng rotor được biểu diễn trong hệ trục tương đối phức tạp hơn do bản thân rotor đang quay trong hệ truc stator Các đại lượng rotor được quy về cùng hệ trục tọa

độ gắn với stator theo ty số vòng dây kT và góc chuyển đổi

là tỉ số vòng dây stator và rotor

(t) là góc vị trí của rotor tính theo độ điện [elec.rad]

là vận tốc góc của rotor [elec.rad/s]

Lưu ý:

Vector từ thông được biểu diễn theo các vector dòng điện:

Trong đó:

Lm – điện cảm từ hóa [H]

Ls – điện cảm dây quấn stator, Ls = Lls + Lm

Lr – điện cảm dây quấn rotor đã quy về phía stator, Lr = Llr + Lm

Lls , Llr – lần lượt là dây quấn stator và rotor

Ghi chú: các giá trị điện trở và điện cảm sử dụng trong các biểu thức từ đây về sau được ngầm hiểu là đã quy đổi về phía stator

Dây quấn 3 pha stator và rotor DFIG được giả thiết kết nối theo hình Y, vì thế không xuất hiện thành phần thứ tự không Bằng cách triển khai các phương trình theo 2 thành phần bổ sung thêm phương trình moment điện từ ta thu được hệ phương trình đầy đủ

mô tả DFIG trong hệ tọa độ tham chiếu tĩnh , có sơ đồ mạch tương đương như hình sau:

Hình 4.2: Sơ đồ mạch tương đương mô hình động DFIG trong hệ truc tọa độ Phương trình điện áp stator:

Phương trình điện áp rotor:

Từ thông móc vòng:

Moment điện từ:

Với p là số cặp cực từ

4.2.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq

Công thức thể hiện mối liên hệ vector điện áp, dòng điện và từ thông trong hệ tọa

độ và dq như sau:

Từ đó ta có được:

Biến đổi tương tự ta có được phương trình điện áp rotor:

Vector từ thông biểu diễn theo các vector dòng điện:

Triển khai các phương trình theo các thành phần trục d và trục q cùng với phương trình moment ta được phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ và có mạch điện tương đương được cho ở hình sau: