Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép khi xảy ra lỗi lưới không đỗi xứng

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung: “Mô hình hóa và mô

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN THẢO

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP KHI XẢY RA

LỖI LƯỚI KHÔNG ĐỖI XỨNG

2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

LỜI MỞ ĐẦU x

1.Tính cấp thiết của đề tài x

2 Mục đích của đề tài x

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xi

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện xi

5 Cấu trúc luận văn xi

CHƯƠNG 1 1

MÔ HÌNH HÓA LỖI LƯỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI XỨNG 1

1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thường của lưới điện 1

1.2 Mô hình hóa lỗi lưới không đối xứng 2

1.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 2

1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng 4

1.3 Mô hình hóa lỗi lưới đối xứng 10

CHƯƠNG 2 12

MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 12

2.1 Đặt vấn đề 12

2.1.1.Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép: 13

2.1.2 Nguyên lý hoạt động MPKĐBNK 15

2.1.3 Phạm vi hoạt động MPKĐBNK 16

2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép 17

CHƯƠNG 3 24

NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24

3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khiển MPĐKĐBNK 24

3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 25

3.2.1 Mô hình dòng rotor 25

3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ điều chỉnh dòng hai chiều 26

3.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và công suất phản kháng phía máy phát 28

3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 30

3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển 31

3.3.2 Bộ điều khiển tựa thụ động 33

3.3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng ird 34

3.3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng irq 35

3.4 Các khâu tính toán giá trị thực và đặt 37

3.5 Hòa đồng bộ máy phát lên lưới 39

3.5.1 Điều kiện cùng tần số 39

3.5.2 Điều kiện trùng pha 41

3.5.3 Điều kiện trùng biên độ điện áp 42

3.6 Mô hình và cấu trúc điều khiển phía lưới 42

3.6.1 Mô hình phía lưới 42

3.6.2 cấu trúc điều khiển phía lưới 45

CHƯƠNG 4 48

MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LỖI LƯỚI 48

4.1 Kết quả mô phỏng 48

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 49

4.1.2 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lưới 55

4.1.2.1 Các kết quả mô phỏng trong chế độ làm việc bình thường 56

4.1.2.2 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lưới đối xứng 58

4.1.2.3 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lưới không đối xứng 604.2 Kết luận và kiến nghị: 62TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm

được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang là trung

thực

Thái nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thảo

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội

dung: “Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ

nguồn kép khi xảy ra lỗi lưới không đỗi xứng” Với sự giúp đỡ ủng hộ của các

thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng như sự nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng như đây là một lĩnh vực còn tương đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn được hoàn chỉnh

và có ý nghĩa hơn

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang đã trang bị kiến thức,

dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tác giả hoàn thành luận văn này

Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa Điện Trường Đại học KTCN Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu thực hiện luận văn

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thảo

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

THD Total harmonic distortion

zp Số cực đôi của máy phát

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1.1: Các thông số của MPKĐBNK……… 48

DANH SÁCH HÌNH VẼ

1.1.1 Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCDB ba pha 3

1.1.2 Hình 1.2:a, Biểu diễn các đại lượng ba pha trên hệ trục tọa độ cố

a Chế độ dưới đồng bộ ; b Chế độ trên đồng bộ

16

2.1.3 Hình 2.4:Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK 17 2.2 Hình 2.5: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB 20 2.2 Hình 2.6: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB dưới dạng ma trận

con

22

3.1 Hình 3.1: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK 23 3.2.2 Hình 3.2: Đặc tính vector, áp, từ thông của 26 3.2.3 Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển phía máy phát 28 3.2.3 Hình 3.4: Hệ thống điều khiển phía MP sử dụng BĐK tuyến tính 29 3.3.1 Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát 30 3.3.1 Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển phía máy phát 32 3.3.2.2 Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần irq tựa theo EL 36 3.3.2.2 Hình 3.8: Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần irq tựa theo EL 36 3.5.2 Hình 3.9: Quan hệ giữa các vector trong thực hiện hòa đồng bộ 40 3.6 Hình 3.10 : (a) Mạch điện phía lưới và (b) sơ đồ tương đương 42 3.6 Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía lưới 45

4.1.1 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 48 4.1.1 Hình 4.2: Khối lưới, bộ biến đổi và máy phát không đồng bộ 3 pha

rotor dây quấn

LỜI MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Việt Nam cũng như thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng Trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, nhiệt điện… là các dạng năng lượng cũng đang dần cạn kiệt, gây mất căn bằng sinh thái và ô nhiễm môi trường Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy điện nguyên tử có chi phi lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn Do vậy năng lượng tái tạo hay còn gọi là năng lượng phi truyền thống nói chung, năng lượng gió nói riêng là một trong những lĩnh vực quan trọng và đang dần được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi

Các hệ thống tuốcbin gió hiện đại thường có xu hướng sử dụng MPKĐBNK

để giảm giá thành do MPKĐBNK có những ưu điểm rất nổi bật là stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện

tử công suất điều khiển được Chính vì thiết bị điều khiển cho MPKĐBNK nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới Đây chính là ưu điểm vượt trội của MPKĐBNK so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới Tuy nhiên, cấu trúc ấy lại khiến cho MPKĐBNK khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống sự cố xảy ra trên lưới Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn có thể gây ra dòng rất lớn, phá hỏng bộ biến đổi Bởi vậy, việc hiểu và làm chủ được các chế độ vận hành đặc biệt đó là điều kiện bắt buộc khi hòa lưới quốc gia hệ thống phát điện chạy sức gió

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu và mô phỏng MPKĐBNK khi xảy ra lỗi lưới, đặc biệt là với lỗi lưới không đối xứng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là máy phát không đồng bộ nguồn kép

- Phạm vi nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK trên phần mềm Matlab – Simulink – Plecs khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng và đối xứng

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện

- Nghiên cứu, khảo sát đặc tính của lưới khi xẩy ra các lỗi lưới không đối xứng

- Nghiên cứu, khảo sát các tương tác qua lại giữa hệ thống PĐCSG với lưới khi xẩy ra lỗi lưới không đối xứng và đối xứng

- Từ đó đưa ra các quyết định khi đầu tư vào hệ thống PĐCSG

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1: Mô hình hóa lỗi lưới đối xứng và không đối xứng

Chương 2: Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép

Chương 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép

Chương 4: Mô phỏng một số chế độ lỗi lưới

Trạng thái làm việc của một hệ thống điện được coi là bình thường nếu các thông số của nó nằm trong một khoảng cho phép theo một tiêu chuẩn nào đó Trong thực tế, điện áp, tần số và tính đối xứng của hệ thống ba pha là các thông số thường nhận được sự quan tâm đặc biệt của cả các nhà cung cấp và các hộ tiêu thụ điện do

sự nhạy cảm của các thiết bị tiêu thụ điện trong công nghiệp đối với các thông số này

Do công suất điện liên tục biến đổi cả trong điều kiện làm việc bình thường của lưới điện cũng như trong các tình huống không thể tránh được, chẳng hạn như

do sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện, làm cho các thông số của hệ thống điện có thể vượt quá các giới hạn cho phép Trong trường hợp như vậy lưới điện được coi là đang trong trạng thái làm việc không bình thường

• Sập lưới: Theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 thì sập lưới được định nghĩa là sự suy giảm từ (10 - 90)% của điện áp danh định trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ cho đến 1 phút [11]

• Lỗi lưới: Được chia ra hai trường hợp lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng Trong khuôn khổ đề tài lỗi lưới đối xứng được xem là khi biên độ các pha

điện áp lưới bị suy giảm với độ sâu sập lưới như nhau Lỗi lưới không đối xứng ở đây được hiểu là sự mất đối xứng về biên độ giữa các pha điện áp lưới

1.2 Mô hình hóa lỗi lưới không đối xứng

1.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ

Để mô tả động học của MPKĐBNK và lưới ta có thể sử dụng hệ phương trình

vi phân, nhưng những phương trình vi phần này thường cồng kềnh và phức tạp Trước tình hình đó, để giảm độ phức tạp của các phương trình vi phân mô tả động học của MPKĐBNK và lưới thì các đại lượng ba pha như dòng điện, điện áp, từ thông thường được mô tả bởi các biến trên một hệ trục tọa độ hai pha mới Hệ trục tọa độ mới này có thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay [17, 25] Công cụ để chuyển đổi các đại lượng từ một hệ trục tọa độ cố định sang một hệ trục tọa độ quay và ngược lại là các phép biến đổi Clarke và Park[1, 24] Động cơ dị bộ ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator được bố trí như hình vẽ (1.1).Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lượng

ba pha có thể được biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thường được gọi là hệ trục tọa độ quay dq hai pha Khi đó các tính toán được thực hiện với biên độ và góc pha của chúng trên các hệ trục tọa độ dq này

Đặt s là ký hiệu đặc trưng cho các đại lượng ba pha Giá trị tức thời của từng pha, được ký hiệu làsa, sb, và sc thỏa mãn phương trình sau:

Chú ý rằng s0 là thành phần zero được thêm vào để ma trận Tsf nghịch đảo được

ma trận biến đổi Tsfđược cho bởi [24]

Pha B

Pha A

Pha C Roto

1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng

Như chúng ta đã biết một hệ thống ba pha không đối xứng có thể được biểu diễn bởi các phương trình điện áp sau:

Các điện áp trên được biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định  như sau:

c

u u

32ˆ

Tiếp theo, các đại lượng trên hệ trục tọa độ  có thể được biến đổi sang hệ trục tọa độ quay dq như sau:

Từ các phương trình (1.4) và (1.6) ta có thể viết được như sau:

Biến đổi phương trình (1.7) ta được:

a d

b q

c

d q

b q

c

u (t) 1

u (t) 0

j

d

Hình1.2: a, Biểu diễn các đại lượng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định

Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.8) ta có

Biến đổi lượng giác ta có:

Thay các biến đổi trên vào phương trình (1.8) ta được:

Nếu ta chọn trục tọa độ dnằm trùng với trục của pha A thì  = t và khi đó

phương trình trên có dạng đơn giản hơn như sau [23]:

Khi hệ thống cân bằng U = U = Uˆa ˆb ˆc Uˆ thì thành phần thứ 2 của phương trình (1.9) có thể được biến đổi như sau:

Biến đổi tương tự như trên ta có:

Các chỉ số t và n trong phương trình (1.10) dùng để biểu thị các thành phần thứ tự thuận và ngược tương ứng

Tiếp theo, các thành phần thứ tự thuận và ngược trên hệ trục tọa độ  có thể đượcbiến đổi sang hệ trục tọa độ quay dq như sau:

Từ các phương trình (1.4), (1.11) và (1.12) ta có thể viết được như sau:

a t

d

b t

q

c

u (t) 1

u (t) 0

d

b n

q

c

u (t) 1

u (t) 0

d

b t

d

b n

d n

1.3 Mô hình hóa lỗi lưới đối xứng

Từ phương trình (1.3) và định nghĩa cuả hệ thống 3 pha đối xứng ta có phương trình điện áp:

(1.21)

Trong khuân khổ của đề tài ta hiểu lỗi lưới đối xứng là khi biên độ các pha điện áp lưới bị suy giảm với độ sâu sập lưới như nhau (theo tỷ lệ phần trăm) Hay nói các khác lúc này đây giá trị điện áp U của chúng ta sẽ bằng '

U mà theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 thì '

Vì đây là hệ thống ba pha đối xứng nên thành phần thứ tự nghịch (3 thành

phần quay ngược lại của 3 pha) sẽ luôn lệch pha nhau 1200 nên cộng lại bằng 0

Lý do sử dụng của máy phát không đồng bộ nguồn kép:

* Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát Vì vậy nó có thể làm việc một cách tin cậy hơn với giá thành và chi phí bảo dưỡng thấp Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể được điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đưa thêm hay thu hồi công suất, được gọi là công suất trượt ở rotor Các máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn như vậy được gọi là máy phát điện không đồng bộ nguồn kép DFIG (doubly-fed induction generator)

Hiện nay người ta đã chế tạo và sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép với nhiều cải tiến và mang lại hiệu quả tốt hơn MPKĐBNK có Stator ghép trực tiếp vào lưới, còn phía Rotor được nối với lưới qua thiết bị điều khiển (hình 2.1)

MPKĐBNK được xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng có tốc độ thay đổi( cỡ khoảng 30% tốc độ đồng bộ) Bởi vì bộ biến đổi công suất đặt bên phía rotor nên làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn 1/3 so với loại máy điện khác[8, 14] Vấn đề duy nhất là khó điều khiển, cũng chính vì lý do này

mà việc xây dựng được mô hình toán của MPKĐBNK là rất cần thiết để từ đó ta có thể nghiên cứu tìm hiểu cũng như xây dựng bộ điều khiển cho MPKĐBNK

2.1.1.Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép:

MPKĐBNK thực chất là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn (kết hợp với các bộ biến đổi CL và NL thành một hệ thống) Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng MKĐBNK thì stator của MPKĐBNK được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất thông qua vành trượt Một tụ điện

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

DC Link

Hình 2.1: Máy phát không đồng bộ nguồn kép MP: máy phát,

CL: chỉnh lưu, NL: nghịch lưu

Vành trượt được đặt ở phía đầu của rotor, có nhiệm vụ đưa dòng điện một chiều ra ngoài

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

Trong thực tế, điện áp định mức của rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator, nên máy biến áp nối giữa MPKĐBNK và lưới điện sẽ có ba cuộn dây

Bộ CL phía máy phát có các ưu điểm sau:

+ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: MPKĐBNK 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 MPKĐBNK thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới

+ Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng Bộ CL phía máy phát còn điều khiển mômen, tốc độ máy phát và điều khiển hệ số công suất đầu cực stator

Trong khi đó, nhiệm vụ chính của bộ NL phía lưới là giữ cho điện áp phát DC link không đổi

Do đó, hệ thống này được gọi là "máy phát nguồn kép"

Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (voltage source converter) có biên độ và tần số thay đổi thường sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện dòng năng lượng qua máy phát có thể được

mô phỏng xảy ra hai trường hợp:

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

+ Khi mômen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là tốc độ vận hành trên đồng bộ Trường hợp này máy phát hoàn năng lượng về lưới cũng qua rotor

Để đảm bảo MPKĐBNK vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, thì bộ biến đổi công suất cả hai phía (phía máy phát và phía lưới đều phải là nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều)

Bộ CL cho phép MPKĐBNK làm việc trong cả bốn góc phần tư của mặt phẳng phức dq, nghĩa là MPKĐBNK có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược lại với máy điện thông thường) Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa MPKĐBNK và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực

Máy điện thường hoạt động như động cơ trước khi đạt tới tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ), rồi sau đó mới phát ngược công suất vào lưới

2.1.3 Phạm vi hoạt động MPKĐBNK

Nhờ khả năng cấp nguồn từ phía Rotor, máy điện không đồng bộ nguồn kép cho phép thực hiện đơn giản bốn chế độ vận hành như hình 2.4, hoàn toàn độc lập với tốc độ quay cơ học (trên hoặc dưới đồng bộ), việc máy hoạt động ở chế độ động

cơ hay máy phát chỉ phụ thuộc vào dấu cho trước của mômen mM Theo hình 2.4, máy điện sẽ hoạt động ở chế độ máy phát, nếu mômen mang dấu âm Ta đã biết, độ

Hình 2.3: Chiều của dòng năng lượng qua MPKĐBNK ở 2 chế độ

a Chế độ dưới đồng bộ ; b Chế độ trên đồng bộ

lớn của mM đặc trưng cho độ lớn của công suất phát ra (ở chế độ máy phát) hoặc công suất lấy vào (ở chế độ động cơ) của MPKĐBNK và việc điều khiển, điều chỉnh công suất đó (ví dụ: thông qua mômen) không được phép ảnh hưởng đến hệ

số công suất (HSCS) cosđã đặt cho thiết bị

2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép

Như ta đã biết để điều khiển dòng của MPKĐBNK ta sử dụng kỹ thuật điều khiển vector và để làm được điều này thì cần phải chuyển các biến sang một sang một hệ tọa độ quay dq Theo các tài liệu [10, 18, 19, 21 ] thì hệ tọa độ này có thể tựa theo vector từ thông stator hoặc theo vector điện áp lưới [6,13,20,22,] Nhưng vì MPKĐBNK làm việc song song với lưới nên cần phải có chức năng hòa đồng bộ Nếu hệ tọa độ dq có trục d trùng với vector điện áp lưới thì đem lại một số thuận lợi nhất định [9].Hệ tọa độ như vậy sẽ độc lập với các tham số của máy điện và độ chính xác của khâu đo tốc độ quay [20] Chính vì các lý do trên, hệ tọa độ dq tựa theo điện áp lưới được lựa chọn để phát triển mô hình cũng như phát triển các thuật toán điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép sau này

Hình 2.4: Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK

độ cố định với stator và trên rotor :

Trong đó, us và ur là các điện áp stator và rotor, is và ir là các dòng điện stator và rotor, RsvàRr là các điện trở stator và rotor, Ψs và Ψr là các từ thông stator và rotor Chỉ số s phía trên các đại lượng này mô tả đại lượng đó trên hệ tọa

độ , cố định với sator Chỉ số r phía trên các đại lượng này nhằm mô tả đại lượng

đó trên hệ tọa độ cố định với rotor

Các từ thông stator và rotor được xác định bởi

với Lm là hỗ cảm giữa hai cuộn dây stator và rotor và Ls, Lr là các điện cảm tản của stator và rotor

Nếu biểu diễn điện cảm tản phía stator và rotor là Ls và Lr thì các điện cảm của stator và rotor được tính như sau

Vì kết cấu cơ học của máy điện là đối xứng nên các giá trị điện cảm ở mọi hệ tọa độ là như nhau vì vậy ở công thức trên ta không cần sử dụng đến chỉ số bên phải trên cao nữa Đến đây để mô tả đầy đủ đối tượng MPKĐBBP ta bổ xung thêm phương trình cơ bản sau đây :

 Phương trình mômen quay

với s là tốc độ góc của stator và

là tốc độ góc mạch điện rotor và m là tốc độ góc cơ của rotor

Thay Ψs và Ψr từ phương trình (2.3) vào phương trình (2.5) ta có :

trong đó,

2 m

Biểu diễn dưới dạng ma trận của (2.8), (2.9), (2.10) và (2.11) chúng ta có được

mô hình không gian trạng thái của MPKĐBNK như sau:

Ma trận trạng thái của MPKĐBNK được thể hiện ở hình 2.5 Các ma trận của

mô hình (2.12) cũng có thể được viết dưới dạng các ma trận con (hình 2.6) như sau:

Nhận xét:

Mô hình trạng thái sử dụng ma trận con hình (2.6) cho thấy rất rõ ràng là điện

áp Rotor Ur không ảnh hưởng trực tiếp, mà chỉ có thể ảnh hưởng gián tiếp tới từ thông Stato thông qua dòng Rotor ir Điện áp Stator us (đồng thời là điện áp lưới UNsau khi hòa đồng bộ) có ảnh hưởng trực tiếp, mang ý nghĩa quyết định tới s Ảnh hưởng của us tới ir chỉ giữ vai trò như một đại lượng nhiễu với module cố định, với góc pha cho trước đo được và vì vậy có thể bị triệt tiêu dễ dàng nhờ một khâu bù nhiễu thông thường

Kết luận chương 2:

- Khái quát cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phạm vi hoạt động của MPKĐBNK

- Đưa ra mô hình toán học của MPKĐBNK

Hình 2.6 : Mô hình trạng thái liên tục của MPKĐBNK dưới dạng ma trận con

Us

Ur

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY

PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khiển MPĐKĐBNK

Như đã trình bày ở các chương trước MPKĐBNK rất có ý nghĩa về mặt khoa học cũng như kinh tế, kỹ thuật, hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu đưa

ra các phương pháp điều khiển hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến được thể hiên như hình vẽ sau:

Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

Phương pháp điều

khiển tuyến tính

[14,10,19]

Phương pháp điều khiển phi tuyến

Tựa theo thụ động

(Pasivity – Based)

[5]

Phẳng (Plat) [12]

Tuyến tính hóa chính xác [14]

Cuốn chiếu (Backstepping) [3]

Hình 3.1: Các phương pháp điều khiển MPKĐBNK

3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính

Giả thiết y(k) là đầu ra của một khâu điều chỉnh vector RI mà ta đang cần tìm,

ta có thể viết phương trình có bù nhiễu sau:

Thay (3.3) vào (3.1) ta được mô hình của dòng rotor khi đã bù nhiễu là:

Thành phần y(k -1) trong pt (3.4) chỉ rõ ràng một nhịp trễ do tính toán đã được xét đến

3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ điều chỉnh dòng hai chiều

Các công thức (2.3) và (2.4) cho phép ta tính được mômen điện của MPKĐBNK Vì máy chịu sự tác động điều chỉnh từ phía rotor nên công thức tính

có chứa dòng rotor sẽ là cần thiết Từ phương trình (2.3) và (2.4) ta có công thức tinh mômen:

s

 gần như không đổi và chỉ phụ thuộc vào điện áp lưới Từ quan điểm này ta viết lại phương trình (2.3) trở thành: