Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG doubly fed induction generator

1.3 Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Doubly-Fed Induction Generators – DFIG.. 2.1.3 Rotor tuabin Đối với rotor loại t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn : BÙI MINH DƯƠNG Sinh viên thực hiện : PHẠM TIẾN ĐẠT

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC HÌNH iv

PHẦN MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ 1

1.1 Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió: 1

1.2 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam: 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 3

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu: 4

1.6 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 6

2.1 Cấu trúc tổng quan cảu hệ thống phát điện gió 6

2.1.1 Tuabin – Cánh quạt 7

2.1.2 Trạm điều khiển 7

2.1.3 Rotor tuabin 7

2.1.4 Máy phát điện 7

2.1.5 Các công thức liên quan đến hệ thống phát điện gió 8

2.2 Tổng quan về DFIG: 10

2.2.1 Cấu tạo của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction Generators) DFIG: 10

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG 12

2.2.3 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng stator 13 2.3 Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu 16

2.3.1 Bộ chỉnh lưu 16

2.3.2 Bộ nghịch lưu áp 3 pha 22

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24

3.1 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β 24

3.2 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q 28

3.3 Điều khiển công suất DFIG: 32

37

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG DFIG 39

4.1 Tổng quan 39

4.2 Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội 42

4.1.1 Giới thiệu: 42

4.1.2 Nguyên lý điều khiển mô hình nội đối với máy phát điện DFIG 43

4.1.3 Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG 44

4.3 Hệ thống điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG: 48 4.3.1 Mô hình chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ 𝜶𝜷 48

4.3.2 Mô hình cho biết vị trí trục quay và góc trượt: 50

4.3.3 Mô hình cho biết tốc độ gió tham chiếu 50

4.3.4 Mô hình phát các dòng điện tham chiếu 51

4.3.5 Phát hiện các thành phần d-q của dòng điện: 53

4.3.6 Mô hình phát ra các điện áp tham chiếu 53

4.3.7 Bộ điều khiển I d -I q tách rời 54

4.3.8 Mô hình tạo xung PWM 54

4.3.9 Khối này chuyển đổi tốc độ gió thành mô men xoắn 55

4.4 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 56

4.5 Mô hình máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây nguồn AC và đồng hồ đo đa năng 58 4.5.1 Máy biến áp 58

4.5.2 Multimeter 59

4.5.3 Nguồn điện áp 3 pha: 60

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 61

5.1 Chế độ làm việc bình thường của hệ thống phát điện gió 61

Khảo sát trong thời gian 15s 61

5.1.1 Điện áp tức thời: 61

5.1.2 Công suất đầu stator và đầu rotor 62

5.1.3 Điện áp đo lường ở tụ DC 64

5.1.4 Dòng điện đâu rotor và đầu stator 67

5.1.5 Mômen xoắn 69

5.1.6 Công suất ở bộ chuyển đổi tốc độ gió 69

5.2 Xét trường hợp ngắn mạch: 70

5.2.1 Điện áp tức thời: 70

5.2.2 Công suất đầu stator và đầu rotor 71

5.2.3 Dòng điện đầu rotor và đầu stator 73

5.2.4 Điện áp đặt đo lường tụ DC 75

5.2.5 Momen xoắn: 77

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 78

6.1 Kết luận 78

6.1.1 Đề tài đã thực hiện được một số nội dung chính như sau 78

6.1.2 Hạn chế 78

6.2 Hướng phát triển đề tài 78

Tài liệu tham khảo 79

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1: Đường cong hiệu suất turbine 8

Hình 2 2: Cấu tạo của DFIG 10

Hình 2 3 : Đặc tính momen, tốc độ làm việc của máy phát DFIG 11

Hình 2 4: Mạch điện tương đương của DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-p 13

Hình 2 5: Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển 16

Hình 2 6: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha 17

Hình 2 7: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển 19

Hình 2 8: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha 20

Hình 2 9: Bộ nghịch lưu áp 3 pha 22

Hình 3 1: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y 24

Hình 3 2: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq 29

Hình 3 3: Mạch điện tương đương mô hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ 32

Hình 3 4: Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện 33

Hình 3 5: Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới 34

Hình 3 6: Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator 35

Hình 3 7: Giản đồ véctơ dòng, áp và từ thông của DFIG 37

Hình 4 1: Sơ đồ tổng thể tuabin gió thay dổi DFIG 40

Hình 4 2: Hệ thống điều khiển 43

Hình 4 3: Hệ thống điều khiển mô hình nội áp dụng cho máy phát điện DFIG 44

Hình 4 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phát điện cảm ứng nguồn kép 48

Hình 4 5: Sơ đồ chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ 𝛼𝛽 48

Hình 4 6: Vị trí trục quay và góc trượt 50

Hình 4 7: Mô hình cho biết tốc độ gió tham chiếu 50

Hình 4 8: Mô hình phát các dòng điện tham chiếu 51

Hình 4 9: Sơ đồ chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ d-q 52

Hình 4 10: Điều khiển PWM hiện tại 52

Hình 4 11: Sơ đồ các thành phần d-q của dòng 53

Hình 4 12: Sơ đồ điện áp tham chiếu PWM 53

Hình 4 13: Sơ đồ bộ điều khiển Id-Iq tách rời 54

Hình 4 14: Sơ đồ của xung PWM 55

Hình 4 15: Sơ đồ chuyển đổi tốc độ gió thành mô men xoắn 55

Hình 4 16: Máy cảm ứng rotor 57

Hình 5 1: Tín hiệu điện áp tức thời 61

Hình 5 2: Tín hiệu công suất đầu stator 62

Hình 5 3: Tín hiệu công suất bên rotor 64

Hình 5 4: Tín hiệu điện áp đo ở tụ DC 66

Hình 5 5: Tín hiệu ở Irp và Ird 66

Hình 5 6: Tín hiệu dòng rotor 67

Hình 5 7: Tín hiệu dòng điện đầu stator 68

Hình 5 8: Tín hiệu momen xoắn 69

Hình 5 9: Tín hiệu công suất ở momen 70

Hình 5 10: Tín hiệu điện áp tức thời khi ngắn mạch 70

Hình 5 11: Tín hiệu công suất đầu rotor khi ngắn mach 71

Hình 5 12: Tín hiệu công suất đầu stator 72

Hình 5 13: Tín hiệu dòng điện đầu rotor 73

Hình 5 14: Tín hiệu dòng đầu stator 74

Hình 5 15: Tín hiệu điện áp ở tụ DC 75

Hình 5 16: Tín hiệu ở Irp và Ird 76

Hình 5 17: Tín hiệu momen xoắn 77

PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường Trong các loại hình năng lượng tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau:

- Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch

- Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn

- Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các

dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện Ở Việt Nam, dù được đánh giá

có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu Các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức về ngành cũng còn ở mức rất hạn chế Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng sạch trong đó có điện gió là hết sức cần thiết Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIF (Doubly-Fed Induction Generators)’’ làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ 1.1 Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió:

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ dẫn đến sự khác nhau về áp suất Không khí giữa xích đạo và 2 cực và không khí giữa ban ngày và ban đêm của Trái Đất di động khác nhau sẽ tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí Vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) hầu như tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

1.2 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam:

Theo phân bố tốc độ gió trung bình nhiều năm trên toàn Biển Đông, có 2 khu vực

có tốc độ gió rất mạnh, khu vực Đông Bắc rộng lớn gồm cả eo Đài Loan và Luzon và khu vực phía Tây giáp ranh với Nam Bộ của Việt Nam, có tốc độ gió đạt tới 10-11m/s Đây cũng chính là những vùng có tiềm năng công suất điện gió biển lớn

Tại vùng biển Việt Nam có khu vực từ Bình Thuận đến Cà Mau, có là nơi có tốc

độ gió đạt từ 7 đến 11m/s, là nơi có công suất năng lượng gió lớn Khu vực ven bờ vịnh Bắc Bộ phía Bắc từ Quảng Ninh đến Quảng Trị có tốc độ gió chủ yếu thấp hơn 6m/s

Trên bản đồ phân bố tiềm năng gió trung bình ở độ cao 80m cho thấy trên Biển Đông, vùng kéo dài dọc theo hướng Đông Bắc-Tây Nam từ eo biển Đài Loan tới vùng biển khu vực Đông Nam Bộ nước ta có tiềm năng năng lượng khá cao, đạt 600-800

W/m2/năm (MW/km2/năm) Trong đó khu vực ven biển cực Nam Trung Bộ là trung tâm

có mật độ năng lượng 400-700W/m2 Ngoài ra trên khu vực vịnh Bắc Bộ cũng hình thành một trung tâm có mật độ năng lượng đạt 400-500 W/m2

Theo độ sâu, địa hình và tốc độ gió trung bình năm (3 mức, cao, vừa, thấp) dựa theo chuỗi 10 năm (đo đạc gió vệ tinh NOAA), khu vực biển ven bờ Việt Nam được chia thành 5 khu vực như sau (theo đường bờ) gồm: Quảng Ninh-Quảng Trị (biển thoải, nông, mật độ năng lượng gió vừa); Quảng Bình-Quảng Ngãi (biển thoải, hẹp, mật độ năng lượng gió thấp); Bình Định-Ninh Thuận (biển nông hẹp, mật độ năng lượng gió thấp); Bình Thuận-Mũi Cà Mau (biển thoải, nông, mật độ năng lượng gió cao); Mũi Cà Mau-Kiên Giang (biển nông, mật độ năng lượng gió vừa)

Vùng ven biển nước ta, đặc biệt vùng phía Nam có diện tích rộng khoảng

112.000km2, khu vực có độ sâu từ 30m đến 60m có diện tích rộng khoảng 142000km2

có tiềm năng phát triển tốt điện gió biển rất tốt Đặc biệt khu vực biển có độ sâu 0-30m từ Bình Thuận đến Cà Mau rộng khoảng 44000km2 Theo số liệu gió Phú Quý, Côn Đảo thì vùng này đạt tốc độ gió trung bình ở độ cao 100m đạt hơn 5-8m/s Hiện nay trang trại gió biển đầu tiên với công suất gần 100 MW đã hoạt động và đang nghiên cứu triển khai các giai đoạn tới năm 2025, lên tới 1.000 MW tức gấp 10 lần

Cụ thể, các trang trại tuabin gió tại đảo Phú Quý và Bạc Liêu đã hoạt động tốt và mang lại hiệu quả kinh tế cao, cơ hội thu hồi vốn khoảng hơn 10 năm, so với tuổi thọ tuốc bin 20 năm Trang trại gió biển Khai Long (Cà Mau) xây dựng từ tháng 1/2016 với công suất giai đoạn 1 là 100 MW Trang trại gió biển hiện đóng góp ngân sách cho các địa phương với nguồn thu ổn định, như tỉnh Bạc Liêu đạt 76 tỷ đồng/năm, khi hoàn thành trang trại gió 400 MW sẽ lên tới gần 300 tỷ mỗi năm Tỉnh Cà Mau với 300 MW cũng sẽ thu được hơn 200 tỷ/năm

Vì vậy, cần sớm xây dựng Chiến lược chính sách phát triển điện gió biển Việt Nam Bởi các công trình năng lượng gió trên biển nếu được sử dụng đồng thời kết hợp với các nguồn khác như mặt trời, sóng biển, năng lượng sinh khối, nuôi trồng thuỷ sản, bảo tồn thuỷ sinh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn, giúp ngăn ngừa xói sạt lở bờ biển Mặt khác sẽ là những điểm tham quan, du lịch học tập, là “mắt thần” giúp tăng cường bảo

vệ an ninh chủ quyền trên biển của Tổ quốc

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generators) – DFIG

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Nhiệm vụ của đề tài

- Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG

- Tìm hiểu các thành phần chính của hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG

- Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát điện gió DFIG

- Ứng dụng phần mềm pscad để mô phỏng và phân tích kết quả hoạt động của hệ thống phát điện gió dùng DFIG

Giới hạn đề tài

- Chỉ tìm hiểu hệ thống máy phát điện gió sử dụng DFIG từ mô hình có sẵn trong phần mềm Pscad

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

- Mô hình toán học và mô hình hóa các thành phần chính trong hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG

- Thực hiện mô phỏng hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG bằng phần mềm PSCAD

1.6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ

Chương 4:

- Tổng quan

DFIG

Chương 5:

Chương 6:

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT

ĐIỆN GIÓ 2.1 Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió

Hệ thống phát điện gió gồm các thành phần cơ bản sau:

− Cánh tuabin: Các tuabin gió hiện tại thường có hai đến ba cánh Gió thổi qua các cánh quạt làm cho các cánh chuyển động quay

− Góc Pitch: Cánh tuabin được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ nhờ vào sự điều chỉnh góc pitch Cánh quạt được điều chỉnh để giữ cho rotor quay với tốc độ không quá cao hoặc không quá thấp để phát công suất điện

− Thiết bị điều khiển Yaw control: Khi tốc độ gió quá nhỏ so với tốc độ giới hạn,

nó sẽ giữ cho rotor đối diện với nguồn gió Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn, đặc biệt khi

có bão, nó sẽ điều khiển các tuabin ra khỏi hướng có bão

− Đồng hồ đo tốc độ và hướng gió: Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin thích hợp với tốc độ gió cụ thể

− Phanh hãm: phanh hãm đĩa được dùng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng rotor trong các trường hợp khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ

− Hộp số: hộp số được đặt ở giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ 20 vòng đến 60 vòng trên phút đến 1200 đến 1500 vòng trên phút, đây là tốc độ quay phù hợp cho các máy phát để sản xuất ra điện

− Máy phát: Thường dùng các máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ để phát điện xoay chiều

− Tháp: Tháp được làm từ thép phiến hoặc từ các thanh thép bắt chéo nhau với kết cấu vững chắc và chịu va đập cơ học tốt và có tính đàn hồi hợp lý Có hai loại tháp cơ bản: loai tự đứng và loại giăng cáp Tháp loại giăng cáp có giá trị rẻ hơn, có thể bao gồm các phần giàn khung ống và cáp Các hệ thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng

2.1.3 Rotor tuabin

Đối với rotor loại trục ngang có 3 cánh, công suất phát được điều khiển bằng bộ điều khiển góc cánh, bánh răng và bộ biến đổi tốc độ, cho phép rotor máy phát điện quay luôn luôn ở tốc độ tối ưu

2.1.4 Máy phát điện

Chức năng của máy phát là chuyển đổi cơ năng thành điện năng Nó được lắp trên khung có bộ nện cao su giãn nở và được gắn nối cơ học bằng bulong-ecu

2.1.5 Các công thức liên quan đến hệ thống phát điện gió

▪ Công suất gió:

Pb: công suất phía rotor (KW)

Pw: công suất gió (KW)

Cp: Hiệu suất cánh quạt turbine

Đường cong hiệu suất turbine gió:

Hình 2 1: Đường cong hiệu suất turbine

▪ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên mật độ gió

2.2 Tổng quan về DFIG:

2.2.1 Cấu tạo của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed

induction Generators) DFIG:

Máy phát điện nguồn kép thực chất là máy điện không đồng bộ dây quấn Trong

hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng DFIG thì stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và roto nối với bộ chuyển đổi công suất thông qua vành trượt Một tụ điện

DC link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng

Vành trượt đặt ở đầu của rotor có nhiện vụ đưa dòng điện một ngoài

Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu rotor để bảo vệ dòng điện ngắn mạch và tránh quá điện áp trong mạch Khi xảy ra tình trang quá dòng thiết bị crowbar ngắn mạch ở đầu cực rotor thông qua điện trở làm ngừng hoạt đông bộ điều khiển RSC và GSC cho phép DFIG làm việc như một máy phát điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ điện năng từ lưới

Bộ converter phía máy phát (RSC) có các ưu điểm sau:

Hình 2 2: Cấu tạo của DFIG

+ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới và khả năng tự điều chỉnh điện áp trong trường hợp lưới yếu

+ Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua rotor độc lập với điệp áp lưới + Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng

Nhiệm vụ của bộ converter ở phía lưới (GSC) là giữ cho điện áp ở DC link không đổi

Máy phát DFIG có ưu điểm là có thể làm việc với tốc độ rotor thay đổi khoảng

± ∆𝜔𝑟𝑚𝑎𝑥 so với tốc độ đồng bộ 𝜔1 Hình 2.3 thể hiện đặc tính momen tốc độ máy

Hình 2 3 : Đặc tính momen, tốc độ làm việc của máy phát

DFIG

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG

Khi ta sử dụng 1 lực vào tubine quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm rotor quay Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ(n2>n1), thì máy phát DFIG sẽ tạo ra dòng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ (tốc độ từ trường quay là: n1 =60𝑓

𝑝 ) Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lưới điện tương tự như các máy phát điện không đồng bộ Sự khác biệt là phần rotor được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi năng lượng Vì vậy, trong hệ thống DFIG, năng lượng cấp cho lưới điện không chỉ bởi stato, mà còn bởi rotor Do đó, hệ thống này được gọi là “máy phát điên cảm ứng nguồn kép”

Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu VSC (voltage source converter) ở phía rotor có biên độ và tần số thay đổi Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể mô tả thành hai trường hợp:

+ Khi momen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành dưới đồng bộ trường hợp này máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor

+ Khi momen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành trên đồng bộ Trường hợp này máy phát hoàn toàn năng lượng về lưới qua rotor và stator

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở 2 chế độ trên, thì bộ biến đổi công suất cả 2 phía (phía máy phát: RSC và phía lưới: GSC phải có khả năng điều khiển dòng công xuất theo 2 chiều)

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư có măt phẳng dp, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng lên lưới (điều này ngược lại với máy điện thông thường) Công suất phản kháng giữa DFIG và lưới điện có thể điều khiển độc lập với công xuất tác dụng

Máy điện thường hoạt động như động cơ trước và khi đạt tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ), máy sẽ phát ngược công xuất vào lưới

+ Chế độ vận hành thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số: điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát DFIG và lưới điện thông qua rotor, góp phần ổn định hệ thống điện Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới được cung cấp 1 nguồn năng lượng không đổi, tuy nhiên năng lượng lại không được sử dụng

1 cách hiệu quả

+ Chế độ vận hành thứ 2 là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất: điều khiển công suất tác dụng bám các điểm vận hành tối ưu của tubine, nhằm tối ưu công suất thực nhận được hoặc để hạn chế công suất đầu vào Tránh quá tải cho máy phát khi tốc

độ quá lớn và tránh lãng phí công suất Thuận lợi của chế độ vận hành thứ hai là tối ưu hóa năng lượng biến đổi trong 1 khoảng thay đổi tốc độ rộng

2.2.3 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng stator

Phương trình điện áp stator:

𝑖𝑑𝑠𝑒 : Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔𝑠: tốc độ góc đầu stator (rad/s)

𝜑𝑞𝑠𝑒 : Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣𝑞𝑠𝑒 : Điện áp stator trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖𝑞𝑠𝑒

: Dòng điện stator trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑𝑑𝑠𝑒 : Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

Phương trình điện áp rotor:

𝑖𝑑𝑟𝑒 : Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔𝑟: tốc độ góc đầu rotor (rad/s)

𝜑𝑞𝑟𝑒 : Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣𝑞𝑟𝑒 Điện áp rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖𝑞𝑟𝑒 : Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑𝑑𝑟𝑒 : Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

Lds: Điện cảm dây quấn stator trục d hệ quy chiếu quay dq (H)

Lqs: Điện cảm dây quấn stator trục q hệ quy chiếu quay dq (H)

Từ thông rotor:

𝜑𝑑𝑟𝑒 = Lm𝑖𝑑𝑠𝑒 + Ldr𝑖𝑑𝑟𝑒 (2.12)

𝜑𝑞𝑟𝑒 = Lm𝑖𝑞𝑠𝑒 + Lqr𝑖𝑞𝑟𝑒 (2.13)

Trong đó:

Ldr: Điện cảm dây quấn rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (H)

Lqr: Điện cảm dây quấn rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (H)

Phương trình công suất phía stator:

Ps: Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Qs: Công suất phản kháng đầu cực stator (Var)

Với sự định hướng của hệ trục toạn độ d – q theo vector điện áp lưới thì công suất tác dụng và công suất phản kháng như sau:

A, Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển nhóm Kathode

Sơ đồ mạch:

Hình 2 5: Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển

Nguồn xoay chiều 3 pha là:

B, Chỉnh lưu tia 3 pha nhóm anode không điều khiển

Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của máy biến áp:

Hình 2 6: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha

⁄ 𝜋 2

C, Chỉnh lưu cầu 3 pha 6 xung không điều khiển

Nguồn xoay chiều 3 pha thứ cấp của máy phát biến áp:

Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua thứ cấp của máy biến áp:

I1 = I2 = I3 = √1

𝜋∫2𝜋⁄3𝐼𝑑2𝑑𝜃

D, Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của máy biến áp:

Dạng song của nguồn 3 pha:

Hình 2 7: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Gọi hiệu điện thế giữa điểm K và điểm trung tuyến của thứ cấp máy biến áp là udk, hiệu điện thế giữa điểm A và điểm trung tuyến của thứ cấp biến áp là uda ta có

Dòng điện chạy qua thứ cấp của máy biến áp:

I1 = iv1 – iv4, I2 = iv3 – iv6, I3 = iv5 – iv2

Hình 2 8: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha

E, Các nguyên tắc điều khiển chỉnh lưu:

Xung điều khiển đưa vào thyristor lúc điện áp đặt lên thyristor dương

Phải biết được khi nào điện áp đặt lên thyristor dương

Phải có điện áp đồng bộ: đồng bộ với điện áp khóa đặt lên thyristor

2.3.2 Bộ nghịch lưu áp 3 pha

Sơ đồ mạch

Điều kiện để mạch làm việc: các khóa trên cùng 1 pha không được phép cùng dẫn Giả sử nguồn U được tách làm hai nguồn có độ lớn bằng nhau và mà nguồn U/2 mắc nối tiếp với nhau tại điểm phâm thế O ở giữa, tải 3 pha đối xứng, nguồn 3 pha ở ngõ

ra lệch nhau 1200 điện áp và tần số như nhau khi đó ta có:

Gọi hiệu điện thế ở giữa các điểm 1,2,3 và điện phân thế O là: U10, U20, U30 là các điện áp pha xuyên tâm nguồn ta có:

Cộng (2.32), (2.32), (2.33) và kết hợp với (2.30) ta có:

U10 + U20 + U30 - 3 UN0 = Uz1 + Uz2 + Uz3 = 0 (2.34)

Hình 2 9: Bộ nghịch lưu áp 3 pha

► Các phương pháp điều khiển bộ nghich lưu:

▪ Phương pháp điều chế đô rộng xung

▪ Phương pháp PWM tối ưu

▪ Phương pháp điều rộng (Bộ nghịch lưu một pha)

▪ Phương pháp điều biên (Six – Step)

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

Nội dung chương này trình bày mô hình toán học của máy phát điện nguồn kép được xây dựng trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ (hệ trục d-q) Thiết lập các hệ phương trình trên hệ tọa độ đồng bộ d-q nhằm mô phỏng và xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu công suất tác dụng và công suất kháng cho máy phát điện nguồn kép

Máy phát điện không đồng bộ ba pha (DFIG) thực chất là máy điện không đồng

bộ ba pha rotor dây quấn Giả thiết rằng các cuộn dây stator và rotor bố trí một cách đối xứng về mặt không gian, được đấu dây theo kiểu hình Y-Y (hình 3.3) Bỏ qua các tổn hao sắt từ, không xét đến hiện tượng bão hòa vật liệu từ Hệ phương trình thu được trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β như sau:

Hình 3 1: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y

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

𝜑𝑎𝑠, 𝜑𝑏𝑠, 𝜑𝑐𝑠: là từ thông stator của các pha a, b, c (Wb)

𝑣𝑎, 𝑣𝑏, 𝑣𝑐𝑠: là điên áp của các pha a, b, c (V)

𝑖𝑎, 𝑖𝑏, 𝑖𝑐: là dòng điện của các pha a, b, c (A)

𝜑𝑎𝑟, 𝜑𝑏𝑟, 𝜑𝑐𝑟: là từ thông rotor của các pha a, b, c (Wb)

Công suất điện phía stator của máy phát là:

Chỉ số trên “s” thể hiện hệ qui chiếu stator

𝑣𝑟𝑟 là điện áp rotor (V)

𝑖𝑟𝑟 là dòng điện rotor (A)

Rs là điện trở stator (Ω)

𝜑𝑟𝑟 là từ thông rotor (rad/s)

Chỉ số trên “r” thể hiện hệ qui chiếu rotor

Quan hệ giữa hệ trục stator và rotor như sau:

𝑁 𝑠)2𝐿𝑟𝑙𝑟 = 𝐿𝑙𝑟𝑠

Trong đó:

𝑖𝑟𝑠: dòng điện quy đổi từ rotor qua stator (a)

𝑅𝑟𝑠: điện trở quy đổi từ rotor qua stator (Ω)

Qui đổi các thông số về mạch stator, và đưa các phương trình về hệ trục tọa độ tĩnh α-β gắn trên stator, ta thu được:

Phương trình điện áp stator:

𝑣𝛼𝑠𝑠 : Điện áp stator trục α hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖𝛼𝑠𝑠 : Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑𝛼𝑠𝑠 : Từ thông stator trục α hệ quy chiếu αβ (Wb)

𝑣𝛽𝑠𝑠 : Điện áp stator trục β hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖𝛽𝑠𝑠 : Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑𝛽𝑠𝑠 : Từ thông stator trục β hệ quy chiếu αβ (Wb)

Phương trình điện áp rotor:

𝑖𝛼𝑟𝑠 : Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑𝛼𝑟𝑠 : Từ thông rotor trục α hệ quy chiếu αβ (Wb)

𝑣𝛽𝑟𝑠 : Điện áp rotor trục β hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖𝛽𝑟𝑠 : Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑𝛽𝑟𝑠 : Từ thông rotor trục β hệ quy chiếu αβ (Wb)

Lr- điện cảm dây quấn rotor qui về phía stator, Lr=Llr+Lm

Lls, Llr- là điện cảm rò dây quấn stator và rotor

Phương trình moment điện từ:

Ta có, trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq như sau:

Trong đó:

as, bs, cs là các pha a, b, c ở phía stator

ar, br, cr là các pha a, b, c ở phía rotor

θr: là góc điện của rotor

θs: là góc điện của stator

Và các phương trình điện áp Stator và Rotor trong hệ trục dq:

Phương trình điện áp stator:

𝑖𝑑𝑠𝑒 : Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔𝑠: tốc độ góc đầu stator (rad/s)

𝜑𝑞𝑠𝑒 : Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣𝑞𝑠𝑒 : Điện áp stator trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖𝑞𝑠𝑒

: Dòng điện stator trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑𝑑𝑠𝑒 : Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

Phương trình điện áp rotor:

𝑣𝑑𝑟𝑒 = Rr𝑖𝑑𝑟𝑒 - (𝜔𝑠− 𝜔𝑟 )𝜑𝑞𝑟𝑒 + 𝑑𝜑𝑑𝑟

𝑒

𝑑𝑡

𝑖𝑑𝑟𝑒 : Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔𝑟: tốc độ góc đầu rotor (rad/s)

𝜑𝑞𝑟𝑒 : Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣𝑞𝑟𝑒 Điện áp rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖𝑞𝑟𝑒 : Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑𝑑𝑟𝑒 : Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑖𝑑𝑠𝑒

𝑖𝑞𝑠𝑒

𝑖𝑑𝑟𝑒

𝑖𝑞𝑠𝑒 ] (3.16)

Và mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu

dq quay với tốc độ đồng bộ như sau:

3.3 Điều khiển công suất DFIG:

(Tham khảo LVTh.S Đặng Ngọc Toàn “Điều khiển máy phát điện gió dùng

Hình 3 3: Mạch điện tương đương mô hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham

chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ