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

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ

Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất không đồng đều, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ và áp suất khác nhau giữa các vùng Khu vực gần xích đạo nhận được nhiều bức xạ hơn so với các cực, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất Sự di chuyển của không khí giữa xích đạo và các cực, cũng như giữa ban ngày và ban đêm, hình thành nên gió Ngoài ra, sự xoay tròn của Trái Đất cùng với độ nghiêng của trục quay tạo ra các dòng không khí theo mùa.

Hiệu ứng Coriolis, do sự quay quanh trục của Trái Đất, ảnh hưởng đến chuyển động của không khí từ vùng áp cao đến vùng áp thấp, tạo ra các cơn gió xoáy với chiều xoáy khác nhau giữa Bắc và Nam bán cầu Từ vũ trụ, có thể thấy rằng ở Bắc bán cầu, không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở Nam bán cầu, chiều hướng này ngược lại.

Gió không chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố toàn cầu mà còn chịu tác động mạnh mẽ từ địa hình địa phương Ban ngày, đất nóng lên nhanh hơn nước do sự khác biệt về nhiệt dung, dẫn đến sự chênh lệch áp suất và tạo ra gió từ biển hoặc hồ thổi vào đất liền Ngược lại, vào ban đêm, đất liền nguội nhanh hơn nước, gây ra hiện tượng gió thổi từ đất liền ra biển.

Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam

GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 2 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

Theo phân bố tốc độ gió trung bình nhiều năm trên Biển Đông, hai khu vực có tốc độ gió mạnh nhất là Đông Bắc, bao gồm eo Đài Loan và Luzon, cùng với khu vực phía Tây giáp ranh Nam Bộ Việt Nam, với tốc độ gió đạt 10-11m/s Những vùng này có tiềm năng lớn cho phát triển năng lượng điện gió biển.

Khu vực biển Việt Nam từ Bình Thuận đến Cà Mau có tốc độ gió từ 7 đến 11m/s, tạo ra tiềm năng năng lượng gió lớn Trong khi đó, khu vực ven bờ vịnh Bắc Bộ, từ Quảng Ninh đến Quảng Trị, chủ yếu có tốc độ gió thấp hơn 6m/s.

Bản đồ phân bố tiềm năng gió trung bình ở độ cao 80m cho thấy khu vực Biển Đông, kéo dài từ eo biển Đài Loan đến vùng biển Đông Nam Bộ Việt Nam, có tiềm năng năng lượng gió cao, đạt từ 600-800 W/m².

Khu vực ven biển cực Nam Trung Bộ có mật độ năng lượng đạt từ 400-700 W/m2, trong khi đó, vịnh Bắc Bộ cũng hình thành một trung tâm năng lượng với mật độ từ 400-500 W/m2.

Dựa trên độ sâu, địa hình và tốc độ gió trung bình hàng năm trong 10 năm qua từ dữ liệu gió vệ tinh NOAA, khu vực biển ven bờ Việt Nam được chia thành 5 khu vực Khu vực Quảng Ninh-Quảng Trị có biển thoải, nông với mật độ năng lượng gió vừa Khu vực Quảng Bình-Quảng Ngãi có biển thoải, hẹp và mật độ năng lượng gió thấp Khu vực Bình Định-Ninh Thuận cũng có biển nông hẹp với mật độ năng lượng gió thấp Khu vực Bình Thuận-Mũi Cà Mau có biển thoải, nông với mật độ năng lượng gió cao Cuối cùng, khu vực Mũi Cà Mau-Kiên Giang có biển nông và mật độ năng lượng gió vừa.

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

Khu vực biển có diện tích khoảng 112.000 km2, với độ sâu từ 30m đến 60m, cho thấy tiềm năng phát triển điện gió biển rất lớn Đặc biệt, khu vực từ Bình Thuận đến Cà Mau có độ sâu từ 0-30m rộng khoảng 44.000 km2 Theo dữ liệu gió tại Phú Quý và Côn Đảo, vùng này đạt tốc độ gió trung bình từ 5-8 m/s ở độ cao 100m Hiện tại, trang trại gió biển đầu tiên với công suất gần 100 MW đã đi vào hoạt động, và dự kiến sẽ mở rộng lên tới 1.000 MW vào năm 2025, gấp 10 lần công suất hiện tại.

Các trang trại tuabin gió tại đảo Phú Quý và Bạc Liêu đã hoạt động hiệu quả, mang lại cơ hội thu hồi vốn trong khoảng 10 năm, so với tuổi thọ của tuốc bin là 20 năm Trang trại gió biển Khai Long tại Cà Mau, khởi công từ tháng 1/2016 với công suất giai đoạn 1 là 100 MW, đóng góp ngân sách ổn định cho địa phương Cụ thể, tỉnh Bạc Liêu đạt doanh thu 76 tỷ đồng/năm và khi hoàn thành trang trại gió 400 MW, con số này sẽ lên tới gần 300 tỷ đồng/năm Tỉnh Cà Mau với 300 MW cũng dự kiến thu được hơn 200 tỷ đồng/năm.

Cần sớm xây dựng Chiến lược chính sách phát triển điện gió biển Việt Nam, vì các công trình năng lượng gió trên biển kết hợp với nguồn năng lượng khác như mặt trời, sóng biển, và sinh khối sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao Đồng thời, những công trình này cũng giúp ngăn ngừa xói lở bờ biển và trở thành điểm tham quan, du lịch học tập, góp phần bảo vệ an ninh chủ quyền biển đảo của Tổ quốc.

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.

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

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

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.

Cấu trúc của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ

- Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió

- Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam

- Mục tiêu của đề tài

- Nhiệm vụ và giới thiệu giới hạn của đề tài

- Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió

- Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu

- Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh 𝛼𝛽

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

- Điều khiển công suất DFIG

- Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội

- Hệ thống điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của

- Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép

- Mô hình máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây

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

- Chế độ làm việc lúc ngắn mạch của hệ thống phát điện gió

- Hướng phát triển cảu đề tài

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

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 (DFIG) là loại máy điện không đồng bộ dây quấn, trong đó stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện, còn roto được nối với bộ chuyển đổi công suất qua vành trượt Hệ thống này sử dụng tụ điện để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng.

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 lắp đặt ở đầu rotor nhằm bảo vệ khỏi dòng điện ngắn mạch và quá điện áp trong mạch Khi xảy ra hiện tượng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn mạch tại đầu cực rotor thông qua điện trở, dẫn đến việc ngừng hoạt động của bộ điều khiển RSC và GSC Điều này cho phép DFIG hoạt động như một máy phát điện không đồng bộ thông thường, trong đó tiêu thụ điện năng từ lưới.

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

Hình 2 2: Cấu tạo của DFIG

DFIG có khả năng điều khiển công suất phản kháng, cho phép tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới Ngoài ra, nó còn có khả năng tự điều chỉnh điện áp trong các trường hợp lưới yếu.

DFIG có khả năng tự kích hoàn toàn thông qua rotor độc lập với điện áp lưới, cho phép điều khiển độc lập cả 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 khả năng hoạt động với tốc độ rotor thay đổi trong khoảng ± ∆𝜔 𝑟 𝑚𝑎𝑥 so với tốc độ đồng bộ 𝜔 1, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Hình 2.3 minh họa đặc tính momen tốc độ của máy phát này.

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

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG

Khi áp dụng lực lên tuabin quay, rotor sẽ quay thông qua hộp số và trục truyền động Khi tốc độ đạt trên đồng bộ (n2>n1), máy phát DFIG sẽ tạo ra dòng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, với tốc độ từ trường quay được tính bằng n1 = 60𝑓.

Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lưới điện như các máy phát điện không đồng bộ, nhưng khác biệt ở chỗ rotor được kết nối với lưới qua bộ chuyển đổi năng lượng Trong hệ thống DFIG, năng lượng cung cấp cho lưới không chỉ từ stato mà còn từ rotor, do đó hệ thống này được gọi là “máy phát điện cảm ứng nguồn kép”.

Mạch rotor nhận nguồn từ bộ nghịch lưu VSC (bộ chuyển đổi nguồn điện), với biên độ và tần số thay đổi Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể được phân tích thành hai trường hợp.

Khi momen quay của máy phát thấp hơn tốc độ đồng bộ, nó được gọi là tốc độ vận hành dưới đồng bộ Trong tình huống này, máy phát sẽ lấy năng lượng từ lưới điện thông qua rotor.

Khi momen quay vượt quá tốc độ đồng bộ, máy phát hoạt động ở chế độ vận hành trên đồng bộ, trong đó năng lượng được truyền hoàn toàn từ rotor và stator về lưới Để đảm bảo DFIG hoạt động hiệu quả như máy phát trong hai chế độ này, bộ biến đổi công suất ở cả hai phía (RSC cho máy phát và GSC cho lưới) cần có khả năng điều khiển dòng công suất theo cả hai chiều.

Bộ chuyển đổi cho phép DFIG hoạt động hiệu quả trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng dp, cho phép DFIG phát công suất phản kháng lên lưới điện, điều này trái ngược với các máy điện thông thường Công suất phản kháng giữa DFIG và lưới điện có thể được điều chỉnh độc lập với công suất 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 của máy phát DFIG giữ công suất đầu ra ổn định, điều khiển công suất phản kháng giữa máy phát và lưới điện, góp phần vào việc ổn định hệ thống điện Ưu điểm của chế độ này là cung cấp một nguồn năng lượng không đổi cho lưới, mặc dù năng lượng này không được sử dụng hiệu quả.

Chế độ vận hành thứ 2 tập trung vào việc duy trì công suất đầu ra tối đa bằng cách điều khiển công suất tác dụng gần các điểm vận hành tối ưu của turbine Mục tiêu là tối ưu hóa công suất thực nhận hoặc hạn chế công suất đầu vào, từ đó tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ tăng cao và giảm thiểu lãng phí công suất Lợi ích của chế độ này là khả năng tối ưu hóa năng lượng biến đổi trong một 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:

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

𝑣 𝑑𝑠 𝑒 : Điện áp stator trục d hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑑𝑠 𝑒 : Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔 𝑠 : tốc độ góc đầu stator (rad/s)

𝜑 𝑞𝑠 𝑒 : Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣 𝑞𝑠 𝑒 : Điện áp stator trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

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

𝜑 𝑑𝑠 𝑒 : Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

Phương trình điện áp rotor:

𝑣 𝑑𝑟 𝑒 : Điện áp rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑑𝑟 𝑒 : Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜔 𝑟 : tốc độ góc đầu rotor (rad/s)

𝜑 𝑞𝑟 𝑒 : Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣 𝑞𝑟 𝑒 Điện áp rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑞𝑟 𝑒 : Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑 𝑑𝑟 𝑒 : Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

Lm: Điện cảm từ hóa (H)

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

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

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

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

Phương trình công suất phía stator:

P s : Công suất tác dụng đầu cực stator (W)

Q s : 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:

Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu

Chỉnh lưu ba pha có điều khiển được sử dụng phổ biến từ thiết bị chỉnh lưu công suất nhỏ đến các hệ thống truyền tải dòng một chiều cao áp Ngoài ra, thiết bị này còn ứng dụng trong điện hóa, điều khiển động cơ và nhiều lĩnh vực khác Dựa vào quá trình chuyển mạch, chỉnh lưu ba pha được phân thành hai loại: chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch (thyristor) và chỉnh lưu điều khiển độ rộng xung.

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

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

Nguồn xoay chiều 3 pha là:

Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và điện áp tải:

Trih hiêu số điện áp tải:

Trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu – dòng điện tải

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

Từ dạng song nhận được ta ó giá trị trung bình của điện áp trên tải:

Trị trung bình của dòng điện quá tải:

𝑅+𝑗𝑋 𝐿 Điện áp cực đại đặt lên diode:

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

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

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

3) Trị trung bình của điện áp trên tải:

Trị trung bình của dòng điện quá tải:

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

D, Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

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

3) Dạng song của nguồn 3 pha:

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

Hiệu điện thế giữa điểm K và trung tuyến thứ cấp máy biến áp được ký hiệu là udk, trong khi hiệu điện thế giữa điểm A và trung tuyến thứ cấp biến áp được ký hiệu là uda.

Từ đó ta có giá trị trung bình của điện áp tren tải:

𝜋 𝑐𝑜𝑠 𝛼 Trị trung bình của dòng điện qua tải:

𝑅 Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor:

Dòng điện chạy qua thứ cấp của máy biến áp:

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

Uc Đồng bộ So sánh Khuếch đại và p.p

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 chia thành hai nguồn có cùng độ lớn, với nguồn U/2 mắc nối tiếp tại điểm phân thế O ở giữa Khi tải 3 pha đối xứng được kết nối, nguồn 3 pha ở ngõ ra sẽ lệch nhau 120 độ về điện áp và có tần số giống nhau.

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:

Hình 2 9: Bộ nghịch lưu áp 3 pha

▪ Nếu S1 dẫn thì S4 ngắt , ta có: U10 = 𝑈

▪ Nếu S4 dẫn thì S1 ngắt , ta có: U10 = − 𝑈

Trị hiệu dụng điện áp xoay chiều trên tải:

Trị hiệu dụng thành phần hài bậc 1 Uz:

Trị hiệu dụng thành phần hài bậc 1 của dòng điện tải: Iz1

► 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)

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

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

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

Máy phát điện không đồng bộ ba pha (DFIG) là loại máy điện không đồng bộ với rotor dây quấn, có cấu trúc cuộn dây stator và rotor được bố trí đối xứng không gian và đấu dây theo kiểu Y-Y Bài viết bỏ qua tổn hao sắt từ và hiện tượng bão hòa vật liệu từ, đồng thời trình bày hệ phương trình trong hệ tọa độ tĩnh α-β.

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:

𝜑 𝑎𝑠 , 𝜑 𝑏𝑠 , 𝜑 𝑐𝑠 : là từ thông stator của các pha a, b, c (Wb)

𝑣 𝑎 , 𝑣 𝑏 , 𝑣 𝑐𝑠 : là điên áp của các pha a, b, c (V)

𝑖 𝑎 , 𝑖 𝑏 , 𝑖 𝑐 : là dòng điện của các pha a, b, c (A)

𝜑 𝑎𝑟 , 𝜑 𝑏𝑟 , 𝜑 𝑐𝑟 : là từ thông rotor của các pha a, b, c (Wb)

Công suất điện phía stator của máy phát là:

Xem tổn thất của máy phát không đáng kể ta có phương trình:

𝑑𝑡 = T m – T e (3.2) Áp dụng cách chuyển từ các phương trình trên sang vector không gian ta thu được phương trình điện áp stator và rotor

Rs là điện trở stator (Ω)

𝜑 𝑠 𝑠 là từ thông stator (rad/s)

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

Rs là điện trở stator (Ω)

𝜑 𝑟 𝑟 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:

Trong đó: θr: là góc điện của rotor, và 𝜑 𝑠 𝑠 , 𝜑 𝑟 𝑟 từ thông stator và rotor tương ứng được mô tả bởi phương trình

Ls: Điện cảm dây quấn stator (H)

Lm: Điện cảm từ hóa (H)

Tỉ số vòng dây Nr/Ns giữa dây quấn stator và rotor là yếu tố quan trọng cần được xem xét trong việc quy đổi các thông số từ mạch rotor sang mạch stator.

𝑖 𝑟 𝑠 : dòng điện quy đổi từ rotor qua stator (a)

𝑅 𝑟 𝑠 : 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:

𝑣 𝛼𝑠 𝑠 : Điện áp stator trục α hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖 𝛼𝑠 𝑠 : Dòng điện stator trục α hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑 𝛼𝑠 𝑠 : Từ thông stator trục α hệ quy chiếu αβ (Wb)

𝑣 𝛽𝑠 𝑠 : Điện áp stator trục β hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖 𝛽𝑠 𝑠 : Dòng điện stator trục β hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑 𝛽𝑠 𝑠 : Từ thông stator trục β hệ quy chiếu αβ (Wb)

𝑣 𝛼𝑟 𝑠 : Điện áp rotor trục α hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖 𝛼𝑟 𝑠 : Dòng điện rotor trục α hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑 𝛼𝑟 𝑠 : Từ thông rotor trục α hệ quy chiếu αβ (Wb)

𝑣 𝛽𝑟 𝑠 : Điện áp rotor trục β hệ quy chiếu αβ (V)

𝑖 𝛽𝑟 𝑠 : Dòng điện rotor trục β hệ quy chiếu αβ (A)

𝜑 𝛽𝑟 𝑠 : Từ thông rotor trục β hệ quy chiếu αβ (Wb)

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

Lm- điện cảm từ hóa (H)

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:

2 𝑝𝐿 𝑚 (𝑖 𝛼𝑟 𝑠 𝑖 𝛽𝑠 𝑠 − 𝑖 𝛽𝑟 𝑠 𝑖 𝛼𝑠 𝑠 ) (3.12) Trong đó p là số cặp cực từ.

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

Thiết lập hệ phương trình trên hệ tọa độ đồng bộ d-q là bước quan trọng trong việc mô phỏng và xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu cho công suất tác dụng và công suất kháng của máy phát điện nguồn kép (DFIG).

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:

𝜑 𝑟 𝑒 = 𝐿 𝑚 𝑖 𝑠 𝑒 + 𝐿 𝑟 𝑖 𝑟 𝑒 (3.14) Hình 3 2: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq

Triển khai các phương trình cho các thành phần trục d và trục q, kết hợp với phương trình mômen, tạo ra hệ phương trình mô tả đầy đủ DFIG trong hệ tọa độ dq quay với tốc độ đồng bộ.

𝑣 𝑑𝑠 𝑒 : Điện áp stator trục d hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑑𝑠 𝑒 : Dòng điện stator trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑 𝑞𝑠 𝑒 : Từ thông stator trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣 𝑞𝑠 𝑒 : Điện áp stator trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

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

𝜑 𝑑𝑠 𝑒 : Từ thông stator trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣 𝑑𝑟 𝑒 : Điện áp rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑑𝑟 𝑒 : Dòng điện rotor trục d hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑 𝑞𝑟 𝑒 : Từ thông rotor trục q hệ quy chiếu dq (Wb)

𝑣 𝑞𝑟 𝑒 Điện áp rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (V)

𝑖 𝑞𝑟 𝑒 : Dòng điện rotor trục q hệ quy chiếu quay dq (A)

𝜑 𝑑𝑟 𝑒 : Từ thông rotor trục d hệ quy chiếu dq (Wb)

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:

Trong hệ trục tham chiếu dq, phương trình điện áp Stator và Rotor trên ta có:

Từ thông Stator và Rotor:

𝑖 𝑟 𝑒 ] Công suất biểu kiến tức thời đầu cực stator S s = P s + jQ s được cho bởi:

Từ biểu thức trên, ta có công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời như sau:

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

Khi DFIG được hòa đồng bộ và kết nối với lưới điện, mục tiêu tiếp theo là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng ở đầu cực stator của DFIG.

DFIG được điều khiển trong hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq dựa trên véctơ điện áp lưới, với trục d trùng với vị trí véctơ điện áp, như minh họa trong hình 3.5 Sự định hướng này là phù hợp cho máy điện cấp nguồn từ hai phía Hệ trục dq được định nghĩa theo véctơ điện áp lưới thông qua một hệ thức cụ thể.

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

Sự định hướng hệ trục tọa độ tham chiếu là độc lập với các thông số của DFIG, yêu cầu điện áp rotor phải được qui đổi về cùng một hệ trục Điều khiển điện áp rotor được thực hiện qua bộ converter phía máy phát, trong khi điện áp stator, nối trực tiếp với lưới điện, được coi là tác động nhiễu Khi lưới ổn định, điện áp lưới được xem là không đổi; theo hệ trục tham chiếu đã chọn, tác động nhiễu có giá trị bằng không theo trục q và là đại lượng dc theo trục d Do đó, với 𝑣 𝑞𝑠 𝑒 = 0, công suất tác dụng và công suất phản kháng có thể được biểu diễn một cách đơn giản.

Từ (3.17) và (3.18), ta thấy công suất tác dụng Ps và công suất phản kháng Qs đầu cực stator DFIG có thể được điều khiển độc lập thông qua 𝑖 𝑑𝑠 𝑒 và 𝑖 𝑞𝑠 𝑒

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

Khi điện áp lưới được coi là không đổi, việc điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng tương đương với việc điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện tác dụng và dòng điện phản kháng của véctơ dòng điện stator Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stator, thường có giá trị nhỏ ở các máy phát công suất lớn, thì trong trạng thái xác lập, các thành phần đạo hàm trong biểu thức sẽ triệt tiêu.

Nghĩa là véctơ điện áp và véctơ từ thông stator vuông góc với nhau Ta có giản đồ véctơ không gian như hình

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

𝐿 𝑚 (𝜑 𝑞𝑠 𝑒 − 𝐿 𝑚 𝑖 𝑞𝑟 𝑒 (3.27) Khi đó công suất tác dụng, công suất phản kháng và mômen điện từ được viết lại:

Các quan hệ dòng, áp và từ thông trong 3 phương trình trên được minh họa bằng giản đồ véctơ như hình sau

Từ đây, ta rút ra các nhận xét:

Véctơ từ thông stator 𝜑 𝑠 𝑒 luôn vuông góc với véctơ điện áp lưới us khi điều kiện (3.19) được thỏa mãn, và biên độ của nó cũng phụ thuộc vào điện áp lưới.

Module của 𝜑 𝑞𝑠 𝑒 là hằng số vì điện áp 𝑢 𝑠 và tần số lưới điện 𝜔 𝑠 được xem như không đổi Công suất tác dụng và mômen chỉ phụ thuộc vào thành phần dòng điện 𝑖 𝑑𝑟 𝑒, do đó 𝑖 𝑑𝑟 𝑒 là đại lượng điều khiển công suất tác dụng ở cực stator hoặc điều khiển mômen.

Công suất phản kháng chỉ phụ thuộc vào thành phần dòng điện 𝑖 𝑞𝑟 𝑒 Do đó, 𝑖 𝑞𝑟 𝑒 có thể được sử dụng làm đại lượng điều khiển công suất kháng tại đầu cực stator, hoặc để điều chỉnh hệ số công suất.

Có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của đầu cực stator máy phát thông qua việc điều chỉnh hai thành phần 𝑖 𝑑𝑠 𝑒 và 𝑖 𝑞𝑠 𝑒 của véctơ dòng stator hoặc 𝑖 𝑑𝑟 𝑒 và 𝑖 𝑞𝑟 𝑒 của véctơ dòng rotor.

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

Máy phát điện gió thường có công suất lớn, do đó luôn thỏa mãn yêu cầu về công suất Chúng ta có thể sử dụng các thành phần dòng điện rotor 𝑖 𝑑𝑟 𝑒 và 𝑖 𝑞𝑟 𝑒 để điều khiển trạng thái của đối tượng Tuy nhiên, mục tiêu chính là điều khiển công suất trực tiếp, vì vậy việc sử dụng trực tiếp hai thành phần 𝑖 𝑑𝑟 𝑒 i sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn.

𝑖 𝑞𝑟 𝑒 làm biến điều khiển trạng thái của hệ thống DFIG

Quá trình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng diễn ra bằng cách điều chỉnh điện áp rotor thông qua thiết bị điều khiển, cụ thể là bộ biến đổi công suất nằm ở phía rotor, kết hợp với việc hiệu chỉnh hai thành phần dòng điện stator.

Giá trị điều khiển cho các thành phần dòng điện stator của máy phát được tính toán dựa trên công suất tác dụng 𝑃 𝑠 𝑟𝑒𝑓 và công suất phản kháng 𝑄 𝑠 𝑟𝑒𝑓 đã được đặt phía stator.

Khi giá trị đặt được xác định là mômen điện từ thay vì công suất tác dụng ở đầu cực stator, giá trị điều khiển 𝑖 𝑑𝑠 𝑟𝑒𝑓 cho thành phần dòng 𝑖 𝑑𝑠 𝑠 sẽ được suy diễn gián tiếp từ các yếu tố liên quan.

Tuy nhiên, theo phương trình trên thì sự biến đổi của thành phần 𝑖 𝑞𝑠 𝑒 (tương ứng với công suất phản kháng) sẽ ảnh hưởng đến giá trị điều khiển 𝑖 𝑑𝑠 𝑒

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG DFIG

Tổng quan

Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi sử dụng DFIG nhằm mục tiêu điều khiển công suất phản kháng giữa máy phát và lưới điện, đồng thời bám sát các điểm vận hành tối ưu để đạt công suất tác dụng cực đại từ gió hoặc hạn chế công suất đầu vào để tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn Các hệ thống phụ của tuabin, như khí động học, cơ học và điện, có thời hằng khác nhau, trong đó thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời hằng cơ, cho thấy quá trình điện động diễn ra nhanh hơn quá trình động học cơ khí Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG được trình bày trong hình 4.1, trong đó có hai kênh điều khiển chính: điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng) và điều khiển tuabin gió.

Kênh điều khiển máy phát DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor (RSC) và bộ biến đổi công suất phía lưới (GSC) Kênh điều khiển tuabin gió có đáp ứng động chậm hơn, bao gồm điều khiển tốc độ và công suất đầu vào, đồng thời giám sát bộ chấp hành góc pitch của tuabin gió Nó cung cấp tín hiệu điều khiển β ref cho bộ chấp hành góc pitch và tín hiệu công suất tác dụng 𝑝 𝑠 𝑟𝑒𝑓 cho kênh điều khiển DFIG.

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 4.1 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường:

Công suất tác dụng điều khiển 𝑃 𝑠 𝑟𝑒𝑓

Công suất phản kháng điều khiển 𝑄 𝑠 𝑟𝑒𝑓 (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên lưới điện) Điện áp 𝑈 𝑑𝑐 𝑚𝑒𝑎 trên dc-link

Dòng điện qua bộ lọc 𝐼 𝑓 𝑚𝑒𝑎 (tại điểm N)

 Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào như sau:

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

+ Giá trị điều khiển công suất tác dụng, thông tin này được cung cấp bởi 𝑝 𝑠 𝑟𝑒𝑓 kênh điều khiển tuabin gió

Giá trị điều khiển công suất phản kháng 𝑄 𝑠 𝑟𝑒𝑓 có thể được người vận hành gán, đặc biệt trong trường hợp lưới yếu, DFIG có thể được yêu cầu phát công suất kháng nhằm hỗ trợ điện áp lưới.

Giá trị điện áp 𝑈 𝑑𝑐 𝑟𝑒𝑓 của dc-link phụ thuộc vào kích thước của bộ converter, tỷ lệ điện áp giữa stator và rotor, cũng như chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất.

 Kênh điều khiển tuabin tạo ra hai tín hiệu điều khiển:

Giá trị điều khiển công suất tác dụng 𝑝 𝑠 𝑟𝑒𝑓 là tín hiệu đặt cho kênh điều khiển DFIG, được xác định dựa trên vận tốc đo lường của máy phát 𝜔 𝑟 𝑚𝑒𝑎 và công suất đo lường 𝑃 𝑠 𝑚𝑒𝑎 tại điểm M Khi tốc độ gió thấp hơn mức định sẵn, kênh điều khiển tuabin sẽ điều chỉnh vận tốc máy phát nhằm tối ưu hóa công suất thu được từ gió.

Giá trị điều khiển β ref được truyền trực tiếp đến cánh quạt tuabin, nơi bộ chấp hành góc pitch thực hiện vai trò trong bộ điều khiển công suất Giá trị này được tạo ra từ thông tin công suất đo lường 𝑃 𝑠 𝑚𝑒𝑎 và công suất định mức 𝑝 𝑛 𝑟𝑒𝑓, thường là giá trị danh nghĩa của tuabin do nhà chế tạo cung cấp.

Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn

Kênh điều khiển tuabin sẽ duy trì góc pitch ở mức tối ưu, từ đó tạo ra giá trị điều khiển 𝑝 𝑠 𝑟𝑒𝑓 cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt được công suất tối đa Sau đó, kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để đảm bảo công suất đầu ra phù hợp với giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin.

Khi tốc độ gió vượt quá giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ điều chỉnh góc pitch để giảm công suất, đồng thời yêu cầu kênh điều khiển DFIG điều chỉnh giá trị điều khiển 𝑝 𝑠 𝑟𝑒𝑓 về mức định mức.

𝑝 𝑛 𝑟𝑒𝑓 , kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định trước.

Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội

Để điều khiển dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa stator của DFIG và lưới điện, một thuật toán điều khiển mô hình nội đã được thiết lập nhằm kiểm soát hai thành phần của véctơ dòng stator Chất lượng điều khiển được đánh giá qua các yếu tố như khả năng đáp ứng với sự thay đổi nấc, khả năng bám giá trị đặt, cũng như tính ổn định và bền vững của luật điều khiển khi có sự thay đổi thông số do điều kiện làm việc hoặc sai số trong mô hình.

Sơ đồ điều khiển sử dụng mô hình nội được trình bày trong hình 4.2, bao gồm mô hình thuận của đối tượng điều khiển và mô hình ngược là nghịch đảo của mô hình thuận Bộ lọc IMC, một bộ lọc thông thấp, xác định hàm truyền đạt của hệ thống vòng kín Khi mô hình thuận mô tả chính xác đối tượng và không có nhiễu (d(t)=0), hệ thống hoạt động ở chế độ vòng hở, với hàm truyền đạt từ tín hiệu đặt r(t) tới tín hiệu ra y(t) được xác định bởi bộ lọc IMC Phương pháp điều khiển mô hình nội có ưu điểm là các điều kiện về ổn định nội và tính bền vững được thể hiện đơn giản qua các hàm truyền đạt, giúp dễ dàng trong thiết kế.

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

Hình 4 2: Hệ thống điều khiển

Máy phát điện DFIG là đối tượng chính trong việc điều khiển, với mô hình thuận đại diện cho hoạt động của nó Ngược lại, mô hình ngược là hàm truyền đạt nghịch đảo của mô hình thuận Để xác định hàm truyền đạt của hệ thống vòng kín, bộ lọc IMC được sử dụng như một bộ lọc thông thấp.

4.1.3 Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG Để thuận tiện cho việc xây dựng luật điều khiển, giả thuyết khử các biến ít quan trọng là dòng điện rotor 𝑖 𝑟 𝑒 và từ thông stator 𝜑 𝑠 𝑒 , giữ lại dòng điện stator 𝑖 𝑠 𝑒 và từ thông rotor 𝜑 𝑠 𝑒 trong các phương trình sau:

Ta có các phương trình:

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

𝑑𝑡 Thay (4.1) vào 2 phương trình trên:

Trong đó, các thông số hằng được định nghĩa:

Triển khai hệ phương trình trên dưới dạng các thành phần trục d và q, ta thu được hệ phương trình vi phân sau:

(4.4) Để đơn giản, đặt thêm các hệ số phụ như sau:

GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 46 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT a1 = 1

Khi đó ta có hệ phương trình sau:

𝑑𝑡 = 𝑎 4 𝐿 𝑚 𝑖 𝑞𝑠 𝑒 − 𝑎 4 𝜑 𝑞𝑟 𝑒 − (𝜔 𝑠 − 𝜔 𝑟 )𝜑 𝑑𝑟 𝑒 + 𝑣 𝑞𝑟 𝑒 Công suất phía stator Ps và Qs

Viết lại hệ phương trình (4.5) theo dạng kí tự ma trận:

𝑣 𝑞𝑟 𝑒 ] Đặt các véctơ biến trạng thái, véctơ tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu ra và các ma trận như sau:

Khi đó, ta có biểu diễn trạng thái của hệ phương trình (3) như (4):

𝑌(𝑡) = 𝐶𝑋(𝑡) (4.8) x là vectơ biến trạng thái vs và vr là vectơ biến vào y là vectơ biến ra

A là ma trận trạng thái của hệ thống

Bs và Br là ma trận vào

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

Thành phần Gain có chức năng nhân tín hiệu theo một hệ số đã được xác định Người dùng có thể thay đổi yếu tố này một cách tự động bằng cách nhập tên biến thay vì sử dụng một con số cụ thể.

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

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

Các Summing Junction là công cụ quan trọng cho các nhà thiết kế mạch, cho phép họ kết hợp nhiều tín hiệu một cách tuyến tính Với khả năng nhập tối đa 7 đầu vào, mỗi đầu vào có thể được cộng hoặc trừ vào tổng, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý tín hiệu.

Bộ tích hợp là một thành phần thiết yếu trong hệ thống điều khiển, cho phép sử dụng các phương pháp hội tụ hình thang hoặc hình chữ nhật Đầu ra có thể được đặt lại thành giá trị xác định bằng cách áp dụng một số nguyên khác không tại đầu vào Xóa, với giá trị mặc định là 1.0 giây cho hằng số thời gian nếu giá trị tuyệt đối nhỏ hơn 10^-20.

Các thành phần Lag Differential hoạt động như một bộ lọc cao, thường được gọi là chức năng 'rửa sạch', 'thay đổi', hoặc 'quên' Đầu ra của nó có thể được đặt lại theo giá trị do người dùng xác định bất kỳ lúc nào Phương pháp giải quyết cho hàm này phụ thuộc vào giá trị của hằng số thời gian T.

Thì đầu ra sau đó: Y(t) = G(t) * Q(t)

∆𝑡 là khoảng thòi gian t: là hằng số thòi gian

● Thành phần này chuyển đổi tọa độ Cartesian (Rectangular) thành định dạng Polar và ngược lại, như vậy

Để xác định lưu lượng stator chính, cần tích hợp điện áp stator sau khi loại bỏ sự giảm điện trở Bộ lọc rửa sạch sẽ loại bỏ mọi thành phần DC từ các thông lượng tích hợp mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn.

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

Thành phần này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu góc đầu vào từ độ sang radian hoặc ngược lại Ngoài ra, người dùng có thể lựa chọn phạm vi đầu ra là từ 0 đến 2π hoặc từ -π đến π.

Để giải quyết dòng rotor, cần xác định sự khác biệt tương đối giữa lưu lượng stator và vị trí rotor Bộ giải quyết góc sẽ làm sạch tín hiệu góc nhằm khắc phục tình trạng nhảy của 2 xpi không hiển thị.

4.3.3 Mô hình cho biết tốc độ gió tham chiếu

Xác định tốc độ tham chiếu tới maintain (duy trì) tỷ lệ tốc độ đầu tối ưu (theo dõi điện năng tối đa)

Hình 4 6: Vị trí trục quay và góc trượt

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

Tỉ lệ giữa tốc độ gió và tốc độ của máy được tính toán là windspeed / Wpu = 12 / 1,1 = 10.909, tạo thành một hằng số Tốc độ gió ban đầu được xác định là 12 m/s, trong khi tốc độ ban đầu của máy là 1.1 pu.

4.3.4 Mô hình phát các dòng điện tham chiếu

Trong đó: lrd - Xác định công suất phản kháng

Irq - Xác định công suất thực

Kích hoạt các điều khiển sau 0,5 giây, khi máy đang ở chế độ điều khiển mô-men xoắn

Hàm này thực hiện tích phân tỷ lệ, cho ra tổng lợi ích tỷ lệ và tín hiệu đầu vào tách rời Để tính toán miền thời gian của hàm tích phân, có thể áp dụng phương pháp tích hợp hình thang hoặc hình chữ nhật.

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

GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 52 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT Đầu ra của thành phần này sẽ là tín hiệu kết nối với A hoặc B, tùy thuộc vào giá trị của Ctrl.

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

Hình 4 10: Điều khiển PWM hiện tại

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

Bộ lọc rửa sạch loại bỏ các thành phần dc Pha thay đổi của 0,01326 rad sửa lỗi pha lọc rửa

4.3.6 Mô hình phát ra các điện áp tham chiếu

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

Hình 4 12: Sơ đồ điện áp tham chiếu PWM

Vdref1 và Vqref1 được sử dụng để tạo ra các điện áp tham chiếu staor bên để kích hoạt các thiết bị chuyển mạch

4.3.7 Bộ điều khiển I d -I q tách rời

Vdref1 được điều khiển bởi lỗi điện áp tụ điện

Vqref1 được điều khiển bởi lỗi năng lượng phản ứng phụ stator (thiết lập-thực tế)

4.3.8 Mô hình tạo xung PWM

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

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

Hình 4 14: Sơ đồ của xung PWM

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

Thành phần này lấy tín hiệu đầu vào và nhân nó bằng chính nó Các nhân được sử dụng để nhân hai tín hiệu đầu vào

Các hàm logarit tiêu chuẩn xuất logarit của tín hiệu đầu vào, cho phép sử dụng logarit thông thường (cơ số 10) hoặc logarit tự nhiên (cơ số e).

Các thành phần này xuất ra các mũ của tín hiệu đầu vào Có thể sử dụng cơ sở 10 hoặc cơ sở e

Thành phần Divider có chức năng phân chia hai tín hiệu, với quy tắc giới hạn để ngăn chặn lỗi phân chia bằng 0, đảm bảo rằng giá trị phân chia luôn nằm trong khoảng trên 1.0 -10 hoặc dưới -1.0 -10.

Các thành phần này xuất ra các mũ của tín hiệu đầu vào Có thể sử dụng cơ sở 10 hoặc cơ sở e

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

Máy cảm ứng rotor có thể hoạt động ở chế độ 'kiểm soát tốc độ' hoặc 'điều khiển momen'

Máy thường khởi động ở chế độ điều khiển tốc độ với đầu vào W được thiết lập trên mỗi đơn vị tốc độ (khoảng 0.98) và sau đó chuyển sang điều khiển mômen khi thời gian ban đầu của máy kết thúc, tức là khi đạt đến trạng thái ổn định Thành phần này cũng có khả năng tương thích với Giao diện Shaft Torsional Shaft Multi-Mass.

Hiện tại, EMTDC cung cấp bốn mô hình máy phát triển đầy đủ: máy đồng bộ, máy tạo cảm giác lồng sóc, máy cảm ứng rotor và máy DC Tất cả các mô hình này được lập trình dưới dạng biến trạng thái, dựa trên lý thuyết máy tổng quát Các chương trình con của máy giao tiếp với EMTDC như nguồn hiện tại bù và trở kháng đầu cuối đặc biệt, cũng như thông qua các thông số cơ học và/hoặc trường Mỗi loại máy có các thông số hoạt động khác nhau, do đó cần sử dụng các chương trình con riêng biệt Ví dụ, máy đồng bộ có các thông số khác nhau trên mỗi trục với bão hòa lẫn nhau trực tiếp, trong khi động cơ cảm ứng sử dụng cùng một mạch tương đương trên cả hai trục và trải qua cả sự bão hòa lẫn nhau và độ bão hòa reactance.

Hình 4 16: Máy cảm ứng rotor

The rated power is 0.9 MVA, with a rated voltage of 0.69 kV and a base angular frequency of 60 Hz The stator turns ratio is 0.3, and the angular moment of inertia is a key factor in its performance.

0.85 (s) mechanical damping giảm chấn cơ 0.0001 (pu)

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

Thành phần này mô hình một máy biến áp 3 pha, 2 cuộn dây và được dựa trên cách tiếp cận mô hình cổ điển

Người dùng có thể chọn giữa hai chi nhánh từ hóa: lõi tuyến tính hoặc thói quen tiêm hiện tại để mô hình hóa đặc điểm từ hóa Nếu cần thiết, các chi nhánh từ hóa có thể được loại bỏ hoàn toàn, chỉ để lại các biến trong chế độ 'lý tưởng', nơi chỉ còn kháng loạt rò rỉ.

Thành phần này tương đương với ba, máy biến áp 1 pha 2 cuộn dây, kết nối 1 trong

Trong bài viết này, chúng ta khám phá ba pha, nơi người dùng có thể lựa chọn các liên kết quanh co là Y hoặc ∆ ở hai bên Điều đáng lưu ý là inter-phase coupling không được đề cập trong các mô hình biến áp cổ điển Dưới đây là một mạch tương đương sử dụng máy biến áp một pha.

Multimetre là thiết bị thực hiện hầu hết các phép đo số lượng trong hệ thống, tất cả đều được tích hợp trong một thành phần nhỏ gọn Nó có thể được chèn vào chuỗi trong mạch (bao gồm mạch 3 pha, một đường dây hoặc 1 pha), giúp loại bỏ nhu cầu về các nút Node Loop Thiết bị này đo lường nhiều thông số khác nhau.

GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 60 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT Điện áp tức thời

Dòng điện phản ứng Điện áp RMS

Người dùng có khả năng điều chỉnh các đơn vị số lượng đầu ra thông qua việc thay đổi các giá trị cơ sở hệ thống đầu vào khác nhau Hệ thống cũng tự động hiển thị điện và điện áp RMS trên đồ thị thành phần.

Thành phần này mô phỏng một nguồn điện áp xoay chiều 3 pha với điện trở nguồn lý tưởng, tương đương với bus vô hạn Nguồn điện này có thể được điều khiển thông qua các tham số cố định hoặc tín hiệu bên ngoài biến đổi Các đầu vào bên ngoài được mô tả chi tiết trong bài viết.

V: Đường thẳng tới mặt đất, cường độ điện thế cao [kV] f: Tần số [Hz]

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

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

Khảo sát trong thời gian 15s

5.1.1 Điện áp tức thời: Điên áp tức thời được đặt vào stator gồm 3 pha là pha Va Vb Vc Điện áp tức thời của pha Va sau khi khởi động bắt đầu từ 0 dao động lên theo chiều dương Sau đó sự dao động chuyển thành dao động đều trong khoảng từ 0.6(kw) cho đến -0.6(kw) Điện áp tức thời của pha Vb sau khi khởi động bắt đầu từ 0 dao động lên theo chiều âm Sau đó sự dao động chuyển thành dao động đều trong khoảng từ 0.6(kw) cho đến -0.6(kw) Điện áp tức thời của pha Vc sau khi khởi động bắt đầu từ 0 dao động lên theo chiều dương Sau đó sự dao động chuyển thành dao động đều trong khoảng từ 0.6(kw) cho đến -0.6(kw)

Hình 5 1: Tín hiệu điện áp tức thời

Kết quả mô phỏng cho thấy, trong trạng thái làm việc bình thường, điện áp bắt đầu từ 0 và dần chuyển động đều từ -0.6 kW đến 0.6 kW.

Các điện áp có độ lệch pha khác nhau:

Va lêch pha với pha Vb một góc − 2𝜋

Va lệch pha với pha Vc một góc − 4𝜋

5.1.2 Công suất đầu stator và đầu rotor

Hình 5 2: Tín hiệu công suất đầu stator

Công suất hoạt động đầu stator: (Pg)

Tại thời điểm từ khi khởi động từ 0 – 0.03 s công suất có xu hướng giảm xuống đến -0.69 (MW)

Tại thời điểm từ 0.03 – 0.1 s công suất bắt đầu có chiều hướng dịch chuyển từ chiều âm lên chiều dương (công suất từ - 0.69(MW) lên đến 0.69(MW))

Từ sau thời điểm 0.1s – 8.0s thì công sất hoạt động có xu hướng ổn định duy trì ở mức 0.6(MW)

Từ thời điểm 8.0s đến 9.2s thì công suất giảm từ 0.6(MW) xuống 0.42(MW)

Từ thời điểm 9.2s đến 15s thì công suất ổn định ở mức 0.42(MW)

Công suất phản kháng đầu stator: (Qg)

Tại thời điểm khởi đông từ 0 – 0.03 s công suất phản kháng có xu hướng giảm xuống từ 0(MWA) xuống đến -0.032(MVA)

Tại thời điểm từ 0.03 – 0.17 s công suất phản kháng có hướng di chuyển từ -

Từ thời điểm từ 0.17 – 0.29 s công suất phản kháng có huowgs di chuyển từ

Từ thời điểm từ 0.29 – 0.40 s công suất phản kháng có hướng di chuyển giảm về 0(MVA)

Từ sau 0.40 s đến 15s công suất phản kháng ổn định ở mức 0

Công suất phản kháng có giá trị

Tại thời điểm từ sau khi khởi đông đến 0.5s thì tốc độ cơ có giá trị ổn định 1.054

Từ 0.5s đến 2.5s tốc độ cơ bắt đầu giảm xuống dần dần với mức thấp nhất là 1.048

Từ 2.5s đến 8.0s tốc độ ổn định ở mức 1.054

Từ 8.0s đến 9.2s tốc độ cơ đột ngột giảm mạch xuống 0.921

Từ 9.2s đến 15s tốc độ cơ tăng từ 0.921 lên 0.962 rồi ổn định ở mức đó

Công suất đầu ra cuả rotor:

Từ khi khởi động công suất đầu ra của rotor tăng nhanh trong 0.08s đầu công suất lên tới 0.4(MW)

Sau đó thời điểm 0.08s đến 0.6s công suất giảm dần xuống -0.023(MW) và ổn định tại mức này tới 8.0s

Sau thời gian từ 8.0s đến 10s công suất tăng từ -0.023(MW) lên 0.23(MW), sau đó ổn định đến thời điểm 15s

Công suất đặt đầu rotor luôn bám vào giá trị thực của công suất

5.1.3 Điện áp đo lường ở tụ DC Điện áp đo lường ở tụ DC: (Ecap)

Hình 5 3: Tín hiệu công suất bên rotor

Tại thời điểm từ khi khởi động đến 0.10 s đầu điện áp ở tụ tăng nhanh từ 0 lên đến 1.12(kV)

Tại thời điểm từ 0.10 - 0.20 s điện áp giảm xuống từ 1.12 xuống 0.8(kV)

Thời điểm từ 0.20 – 0.40 s điện áp giảm xuống từ 0.8 xuống 0.75(kV)

Sau thời điểm từ 0.40s đến 15s trở đi điện áp tăng lên mức 0.8(kV) và bắt đầu ổn định ở mức này Điện áp điều khiển ở tụ DC: (Vdref1)

Thời sau khởi động 0.1s điện áp từ -11.7(kV) tăng vọt về 0

Sau đó điện áp ổn định ở mức 0 khoảng một thời gian khoảng 0.8 – 0.9 s

Tại thời điểm từ 0.10 – 0.40 s luôn dao động ở mức điên áp dướng

Tại sau thời điểm 0.40s đến 15s thì điện áp lại ổn định tại mức từ 0 đến 4(kV) Công suất phản kháng ở tụ DC: (Vqref1)

Từ thời điểm 1.0s đầu tiên điện áp luôn dao động trong khoảng từ -5.68 đến 4.76 Sau 1.0s đến 15s điện áp giảm xuống và dao đông trong khoảng từ -1.29 đến 1.30

Hình 5 4: Tín hiệu điện áp đo ở tụ DC

Hình 5 5: Tín hiệu ở Irp và Ird

Công suất phản kháng điều khiển thì Irq luôn là một hằng số ổn định 2.07(kA) từ khi khởi động đến 0.5s

Từ 0.5s đến 2.5s Irq giảm xuống còn 0.2(kA) và ổn định đến 8.0s

Từ 8.0s đến 8.1s Irq tăng lên đến 0.23(kA) Từ 8.1s đến 10s Irq giảm xuống chỉ còn 0.162(kA)

Từ 10s đến 15s Irq tăng lên đến 0.167(kA) và ổn định tại mức này

Công suất thực thì Ird luôn là một hằng số ổn định 0.75(kA) từ khi khởi động đến 0.5s

Từ 0.5s đến 1.0s Ird luôn dao động trong 0.72(kA) đến 0.76(kA)

Từ 1.0s đến 8.0s Ird luôn dao động trong 0.72(kA) đến 0.74(kA)

Từ 8.0s đến 15s Ird luôn dao động trong 0.71(kA) đến 0.73(kA)

5.1.4 Dòng điện đâu rotor và đầu stator

Hình 5 6: Tín hiệu dòng rotor

Sau 0.3s đầu tiên sau khi khởi động dòng điện ở phía rotor tăng nhanh lên đến 0.22(kA)

Sau đó từ 0.3s đến 1.0s dòng điện giảm dần dần xuống và ổn đinh ở mức

Sau thời gian ổn định thì tại 8.0s dòng tăng nhanh lên 0.24(kA) nhưng sau đó tại 10s thì dòng lại giảm xuống chỉ còn 0.177(kA)

Sau từ 10.5s đến 15s dòng điện tăng dần dần lên 0.188(kA) và ổn định tại mức này

 Dòng điện ở đầu stator (Isa)

Hình 5 7: Tín hiệu dòng điện đầu stator

Dòng điện ở đầu stator sau khi khởi động luôn dao động trong khoảng từ -1.50 đến 1.50(kA)

Sau khoảng 0.10s dòng có dao động nhỏ dần đi trong khoảng từ -0.40 đến

Sau thời gian 0.35s đến 15s thì dòng ổn đinh và dao động ở trong khoảng từ -0.28 đến 0.18(kA)

Trong thời gian 0.5s đầu tiên momen có tốc độ 0.621(pu)

Từ 0.5s đến 2.5s momen tăng lên đến 0.625(pu) rồi lại giảm dần dần xuống

Từ 2.5s đến 8.0s momen ổn định ở mức 0.621(pu) Ở 8.0s momen giảm xuống thấp nhất 0.47(pu) Sau đó từ 8.0s đến 9.0s momen tăng lên 0.54(pu)

Từ 9.0s đến 10.5s momen giảm xuống còn 0.51(pu) và sau đó ổn định ở mức này cho đến khi kết thúc khảo sát

5.1.6 Công suất ở bộ chuyển đổi tốc độ gió

Hình 5 8: Tín hiệu momen xoắn

Từ khi khởi động đến 8.0s công suất ổn định ở mức 1.3110M

Từ sau 8.0s công xuất giảm xuống còn 997.94k.

Xét trường hợp ngắn mạch

Hình 5 9: Tín hiệu công suất ở momen

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

Sau khi khởi động điện áp tức thời duy trì trong khoảng -0.6(kV) đến 0.6(kV)

Trong khoảng thời gian từ 3.0 giây đến 3.2 giây, điện áp tức thời gặp sự cố và giảm đột ngột 40% so với giá trị ban đầu Cụ thể, điện áp giảm từ -0.6 kV xuống còn -0.24 kV và từ 0.6 kV xuống còn 0.24 kV.

5.2.2 Công suất đầu stator và đầu rotor

 Công suất đầu rotor lúc ngắn mạch:

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

Sau thời gian hoạt động ổn định thì từ 3.0s đến 3.2s điện áp tức thời thay đổi do đó công suất ở đầu rotor cũng thây đổi theo

Công suất tại đầu rotor tăng lên -0.0073 MW, nhưng sau khoảng thời gian ngắn mạch từ 3.2 giây đến 3.4 giây, công suất giảm xuống -0.052 MW Sau thời điểm 3.4 giây, công suất dần dần trở lại trạng thái hoạt động như lúc khởi động.

Công suất đặt ở rotor tăng mạnh sau khi ngắn mạch, đạt giá trị cao hơn rất nhiều trong khoảng thời gian từ 3.2s đến 3.3s, và sau đó luôn duy trì sự đồng nhất với công suất thực.

Công suất đầu stator trong thời gian ngắn mạch từ 3.0s đến 3.2s bị giảm do điện áp tức thời giảm, tương tự như công suất ở đầu rotor.

Hình 5 12: Tín hiệu công suất đầu stator

Công suất hoạt động tại đầu stator giảm từ 0.6 MW xuống 0 sau khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch Tuy nhiên, sau khi kết thúc ngắn mạch, công suất hoạt động sẽ trở lại giá trị ban đầu.

Trong thời gian ngắn mạch, công suất phản kháng ở đầu stator có xu hướng tăng lên do điện áp tức thời giảm đột ngột, đạt mức cao nhất là 0.113 MVA trong khoảng thời gian từ 3.0s đến 3.01s và từ 3.22s đến 3.31s Sau đó, công suất phản kháng giảm xuống mức thấp nhất -0.34 MVA trong khoảng từ 3.2s đến 3.21s, và từ 3.4s cho đến khi kết thúc khảo sát, công suất phản kháng duy trì ở mức 0.

Giá trị đặt luôn luôn bám sát với giá trị thực của công suất phảm kháng

Tốc độ cơ biến đổi trong khoảng thời gian ngắn, bắt đầu từ 3.0s đến 3.1s với mức 1.03, sau đó tăng lên 1.09 từ 3.1s đến 3.2s Tiếp theo, từ 3.2s đến 3.8s, tốc độ giảm xuống còn 1.055 và duy trì ổn định cho đến khi kết thúc khảo sát.

5.2.3 Dòng điện đầu rotor và đầu stator

Hình 5 13: Tín hiệu dòng điện đầu rotor

Trong khoảng thời gian từ 3.0s đến 3.2s, dòng điện của rotor tăng cao do điện áp tức thời giảm nhanh, dẫn đến sự gia tăng dòng điện.

Dòng điện ở rotor tăng nhanh chóng lên mức tối đa 1.28 kA sau 3.0 giây khi xảy ra sự cố ngắn mạch, rồi dần giảm xuống mức ổn định cho đến khi kết thúc ngắn mạch ở 3.2 giây Sau đó, dòng điện lại tăng lên 0.78 kA từ 3.2 giây đến 3.21 giây, trước khi trở về trạng thái hoạt động ổn định.

Hình 5 14: Tín hiệu dòng đầu stator

Dòng điện tại đầu stator thay đổi trong thời gian ngắn mạch do sự biến động của điện áp tức thời Giá trị dòng điện ở đầu stator dao động trong khoảng từ -1.50(kA) đến 1.23(kA), và sau khi kết thúc thời gian ngắn mạch, dòng điện sẽ trở lại mức ổn định ban đầu.

5.2.4 Điện áp đặt đo lường tụ DC Điện áp đặt đo lường tụ DC:

Trong thời gian ngắn mạch, điện áp của tụ DC biến đổi trong khoảng từ 0.78 kV đến 0.85 kV Sau khi kết thúc ngắn mạch, điện áp sẽ trở về trạng thái ổn định.

Hình 5 15: Tín hiệu điện áp ở tụ DC

Điện áp ở tụ DC (Vdref1) tăng nhanh khi xảy ra ngắn mạch, đạt đỉnh 18.22 kV tại 3.2 giây, sau đó giảm xuống mức ổn định từ 1.36 đến 4.4 kV vào 3.8 giây và duy trì cho đến khi kết thúc mô phỏng Trong khoảng thời gian ngắn mạch từ 3.0 đến 3.05 giây, dòng điện Irq giảm xuống còn 0.19 kA, sau đó tăng lên 0.32 kA từ 3.05 đến 3.2 giây, và cuối cùng trở lại mức hoạt động bình thường sau 3.2 giây.

Hình 5 16: Tín hiệu ở Irp và Ird

Công suất thực thay đổi trong thời gian ngắn mạch, với dòng điện giảm xuống 0.044 kA và ổn định từ 3.01s đến 3.2s Sau khi ngắn mạch kết thúc, dòng điện tăng lên 0.156 kA trong khoảng thời gian từ 3.2s đến 3.36s, rồi dần dần ổn định trở lại.

Trong khoảng thời gian từ 3.0s đến 3.06s, momen xoắn đạt mức cao nhất là 0.63 (pu) Tiếp theo, từ 3.06s đến 3.2s, momen xoắn giảm dần, đạt giá trị thấp nhất là 0.6 (pu) tại thời điểm 3.2s Sau khi hiện tượng ngắn mạch kết thúc, momen xoắn từ từ trở về giá trị ổn định ban đầu là 0.25 (pu) cho đến khi kết thúc khảo sát.

Hình 5 17: Tín hiệu momen xoắn

Tiêu đề	Khảo Sát Hệ Thống Phát Điện Gió Sử Dụng Máy Điện Cảm Ứng Nguồn Kép DFIG (Doubly Fed Induction Generator)
Tác giả	Phạm Tiến Đạt
Người hướng dẫn	Giảng Viên Hướng Dẫn: Bùi Minh Dương
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Điện – Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2017
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,42 MB