ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI TUABIN KIỂU TRỤC NGANG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ TH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI

TUABIN KIỂU TRỤC NGANG

Mã số:

Học viên: NGUYỄN THỊ THẮM Người hướng dẫn khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: TS Cao Xuân Tuyển Ngày giao đề tài: 01/01/2010

Ngày hoàn thành: 30/8/2010

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS CAO XUÂN TUYỂN

HỌC VIÊN

NGUYỄN THỊ THẮM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực

hiện dưới sự hướng dẫn của TS Cao Xuân Tuyển là trung thực và chưa từng được

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thắm

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các bảng……… 1

Danh mục các hình vẽ, đồ thị……… 2

Mở đầu 4

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của luận văn 6

1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió……… 6

1.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện 7

1.2.3 Công suất tuabin gió……….…………9

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió……… 9

1.3 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC……… 11

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC……… 13

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC……… 14

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha……… 14

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC……… 19

2.3 Hệ thống điều khiển góc cánh……… 21

2 4 Hệ thống điều khiển phía máy phát……… 22

2.5 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hoá chính xác……….23

2.6 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, Udc)………29

2.6.1 Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor……… 29

2.6.2 Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay (UDC)………30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.7 Hệ thống điều khiển phía lưới……… 31

2.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới……… ……31

2.7.2 Xây dựng mô hình dòng phía lưới……… ……… 32

2.7.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới……… 37

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC 3.1 Bộ điều khiển MPPTP……….41

3.2 Bộ điều khiển từ thông máy phát………45

3.3 Bộ điều khiển mờ MPPTL xác định công suất cực đại lấy từ gió phát lên lưới 49

CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1 Tổng quan……… 53

4.1.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng PLECS……… 53

4.1.2 Các tham số dùng cho mô phỏng ……… 54

4.2 Xây dựng các khối mô phỏng trên Simulink và PLECS………55

4.2.1 Khối “DFIM Model”……… ……….56

4.2.2 Khối “Generator Side Controller”……… 59

4.2.3 Khối “Grid Side Controller”……… 62

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Bảng Tên bảng Trang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa

Hình 1.4

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích

Hình 1.5

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích

nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh

lưu đơn giản

11

Hình 1.6

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích

nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh

lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy

phát

12

Hình 2.1

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích

Hình 2.3

Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới 32

Hình 3.3 Sơ đồ khối khâu mờ hoá, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành

Hình 3.9 Sơ đồ khối khâu mờ hoá, các luật điều khiển, thiết bị hợp thành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(“Generator Side Controller”) 59

(Dead-beat Current Controller) 63

Hình 4.15 Cấu trúc PMSM trên hệ tọa độ dq

to lớn tiềm tàng không an toàn Vì vậy các nguồn năng lượng sạch khác như gió, mặt trời, thủy triều đang được nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tương lai tươi sáng hơn, được áp dụng rộng rãi hơn Với những nước như Việt Nam, có nhiều địa hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới hoặc có nhưng rất hạn chế Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lượng gió Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần được chúng ta quan tâm phát triển

Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước, đề tài tập trung vào nghiên cứu để đưa ra và áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu để lấy công suất cực đại từ gió cho bộ phát điện chạy sức gió

Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB - KTVC) ngày càng đuợc ứng dụng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến vài MW và có những ưu điểm nổi bật:

 Từ thông đã tồn tại sẵn sàng nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên

bề mặt roto Vì vậy, chỉ cần máy phát quay là tại các cực nối ra của máy phát đã xuất hiện điện áp

 Có thể được sử dụng linh hoạt trong các hệ thống phát điện chạy sức gió một cách linh hoạt theo một trong hai phương án sau:

o Sử dụng một khâu chỉnh lưu đơn giản ở phía máy phát

o Sử dụng một khâu nghịch lưu phía máy phát Trong hệ thống điều khiển có thể sử dụng các bộ điều khiển mờ để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, nâng cao chất lượng điều khiển và lấy công suất cức đại từ năng lượng gió Tuy vậy để phát được chất lượng tốt, cần phải có một phương pháp điều chỉnh thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng điện cũng như giảm giá thành

Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Điều khiển tối ưu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ với tuốc bin kiểu trục ngang”

Trong luận văn này còn đưa ra một phương pháp mới trong việc tách kênh hai

thành phần dòng i rd , i rq sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lý thuyết điều khiển

phi tuyến Đó là phương pháp tuyến tính hóa chính xác do giáo sư người Italia A

Isidori đề xuất Luận văn được chia thành các chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Chương 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC

Chương 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB - KTVC

Chương 4 KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

Hệ thống điều khiển được kiểm chứng qua công cụ mô phỏng MATLAB & Simulink Đặc biệt để thêm tính khách quan, mô hình đối tượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một bộ phần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện

Chương 4 cũng đưa ra các kết quả mô phỏng, qua đó, ta quan sát được tác dụng của cấu trúc điều khiển mới, so sánh ưu điểm với cấu trúc cũ

Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình

của TS Cao Xuân Tuyển, song luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác

giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Cao Xuân Tuyển – Viện Nghiên cứu Phát

triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Thị Thắm

- 6 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ (PHONG ĐIỆN) 1.1 Đặt vấn đề

Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì:

- Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường

- Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, đòi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng

- Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn nữa

Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore” Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW

1.2 Khái quát về các loại hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu của luận văn

1.2.1 Khái niệm về năng lượng gió

Gió là một dạng của năng lượng mặt trời Gió được sinh ra là do nguyên nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích như: đi thuyền, thả diều và phát điện

Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng lượng

cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành năng lượng điện

1.2.2 Cấu tạo tuabin phong điện

Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:

- Một loại theo trục đứng ( giống như máy bay trực thăng.)

- Một loại theo trục ngang

Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt Tuabin gió

3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi Ngày nay tuabin gió trục ngang 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi

Tuabin gió trục ngang gồm các phần chính sau đây:

- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu

khiển

- Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các

cánh quạt chuyển động và quay

- Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng

điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ

- Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió

khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng

- Gear box: Hộp số Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ

cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc

độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió

- Generator: Máy phát (Phát ra điện)

- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao

- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp

- 8 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Nacelle: Vỏ Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và

bao gồm các phần: gear box, low and high - speed shafts, generator, controller, and brake Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

- Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay

trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục

- Tower: Trụ đỡ Nacelle Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép

Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hướng tuabin

gió

- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự

thay đổi hướng gió

- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho "yaw drive" định được hướng gió

Hình 1.1 Cấu tạo phong điện tua bin trục ngang

1.2.3 Công suất tuabin gió

Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW

Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưng tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thống quang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió

Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào? Một cách đơn giản là một tuabin gió làm

việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện

Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió Ở tốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường

Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng

có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn

Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc

độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi

Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió

Capacitor bank

Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ cố định

Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió Bất lợi của các tuốc bin gió

có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất

để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định

Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có

bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép (MDBNK)

Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do dó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ

Transformer Power electronic

converter

≈

=

Hình 1.3 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới

Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin Các hệ thống phát điện turbine gió công suất nhỏ và vừa hiện nay vẫn sử dụng phổ biến loại turbine tốc độ thay đổi sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Hình 1.4 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ

kích thích nam châm vĩnh cửu (ĐB - KTVC)

1.3 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC

Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió Việc kích từ đó hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ

ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện không đồng bộ

Hình 1.5 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản

- 12 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.6 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ

theo sức tiêu thụ nhờ nghịch lưu phía máy phát

Ở các hệ thống phát điện turbine gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) có ưu thế hơn về mặt tạo từ thông kích từ nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor của máy, vì vậy chỉ cần quay máy phát là đầu ra máy phát đã xuất hiện điện áp, đây là một trong những ưu điểm của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB – KTVC Hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐĐB-KTVC có thể sử dụng bộ chỉnh đơn giản phía máy phát như hình 1.5, hoặc

sử dụng bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) như hình 1.6

Ở các hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) dùng MĐĐB-KTVC với công suất

cỡ lớn ( >50 kW) thường được thiết kế vận hành ở chế độ hoà lưới, đồng thời năng lượng do tuốc bin lấy từ nguồn gió có thể điều khiển chủ động được, nhờ hệ thống điều khiển góc cánh độc lập, cho phép thay đổi tốc độ quay, do đó ta có thể chọn một trong hai phương án, chọn phương án nào còn phụ thuộc vào khả năng đầu tư Trong phạm vi đề tài, để có thể điều khiển tối ưu hiệu suất của máy phát, ta tập trung nghiên cứu hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB-KTVC dùng bộ nghịch lưu phía máy phát như hình 1.6

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN

CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG MĐĐB – KTVC

2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống PĐSG sử dụng MĐĐB- KTVC

Sơ đồ cấu trúc điều khiển điển hình của một hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu như hình 2.1, trong đó sử dụng bộ nghịch lưu có điều khiển phía máy phát (NLMF) để có thể thực hiện thuật toán điều

khiển tối ưu hiệu suất của máy phát

Hình 2.1 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ

kích thích nam châm vĩnh cửu(ĐB-KTVC)

Khối điều khiển góc cánh có nhiệm vụ điều chỉnh góc cánh của tuốc bin gió thông qua điều chỉnh góc quay của động cơ đồng bộ nhằm duy trì tốc độ máy phát ứng với công suất cực đại lấy từ gió

Khối điều khiển phía máy phát điều khiển bộ nghịch lưu phía máy phát (NLMF) nhằm tối ưu hiệu suất máy phát và giữ điện áp một chiều trung gian có giá trị không đổi

Điều khiển phía lưới

Điều khiển

góc cánh

MPPTL MPPTP

14

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Khối điều khiển phía lưới thực hiện điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL) nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới

2.2 Mô hình toán học đối tƣợng MĐĐB-KTVC

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha

Với các loại máy điện xoay chiều ba pha nói chung, ta đều có ba dòng điện hình sin cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 120o điện chảy vào stator qua ba cực

tương ứng với pha u, v, w Gọi ba dòng đó là i su, i sv, i sw Ba dòng này thỏa mãn phương trình:

( ) ( ) ( ) 0

Trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) của máy điện, ta thiết lập một hệ tọa

độ phức có trục thực đi qua trục cuộn dây pha u Trên hệ tọa độ đó, ta định nghĩa

một vector không gian dòng stator như sau (hình 2.2):

3

i (t)

o

j240 sw

uv

w

s

i (t)

Hình 2.2: Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha

is(t) là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc s  2 f s và tạo với trục thực một góc pha   s t với f s là tần số mạch stator

Dễ dàng chứng minh được rằng dòng điện của từng pha là hình chiếu của vector dòng stator lên trục của cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượng stator khác của máy điện như điện áp stator, từ thông stator ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện stator kể trên Tổng quát thì

một đại lượng stator bất kỳ x xác định một vector không gian như sau:

Bây giờ ta đặt tên hệ tọa độ phức nói trên là hệ tọa độ  (hình 2.5) với trục

 trùng với trục cuộn dây pha u Đó là hệ tọa độ stator cố định Các thành phần của

vector dòng stator trên hai trục tọa độ là i s và i s

Dễ dàng chứng minh được rằng hai thành phần dòng i s và i s được xác định

từ ba dòng pha nhờ công thức (2.4) Ngược lại, các dòng pha stator của máy điện được xác định từ các thành phần dòng i s và i s theo công thức (2.5):

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Rotor

Trôc Rotor

Hình 2.4 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

Gọi i sd và i sq là hai thành phần trên hai trục tọa độ d, q của vector dòng stator

Vector i t s( ) có thể được viết cho hai hệ tọa độ như sau:

Các chỉ số phía trên bên phải “s” và “f” để chỉ hệ tọa độ  và dq

Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian:

Xét một hệ tọa độ tổng quát xy Ngoài ra ta hình dung thêm một hệ tọa độ thứ

18

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Từ hình 2.7 ta có thể dễ dàng rút ra kết quả sau đây:

x y là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc * xung quanh

Hình 2.5 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Từ đó rút ra được mối liên hệ giữa các thành phần dòng stator trên các hệ tọa

is s  i es f js (2.15a,b)

Các công thức cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector khác như vector điện áp stator, từ thông stator v.v

Các phương trình của máy điện vốn vẫn được viết cho từng pha u, v, w hay r,

s, t Sau khi xây dựng các vector không gian, kết hợp các phương trình cho từng pha

lại với nhau dựa trên công thức (2.3), ta sẽ thu được phương trình cho máy điện dưới dạng các đại lượng vector

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC

Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC là phương trình điện áp stator trên hệ thống cuộn dây stator

Phương trình điện áp stator:

s s s s

Sau khi chuyển (2.16), (2.17) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ

quay với vận tốc góc s so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:

20

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chỉ số phía trên bên phải “f ” để chỉ hệ tọa độ quay dq, từ nay về sau, để cho thuận tiện, nếu không gây nhầm lẫn, ta quy ước các đại lượng trên hệ tọa độ dq sẽ không cần viết chỉ số “f” ở phía trên bên phải nữa.ψplà véc tơ từ thông cực từ Vì trục d của hệ toạ độ trùng với trục của từ thông cực, thành phần vuông góc (thành phần trục q) của ψp sẽ bằng không, do đó, véc tơ từ thông cực từ chỉ có duy nhất thành phần trục thực ψp Từ đó, ta có:

tơ dòng đứng vuông góc với từ thông cực và do đó không có thành phần dòng từ hoá mà chỉ có thành phần dòng tạo mô men quay Vậy là isd = 0 và ta thu được phương trình mô men như sau:

L di

với: - Lsd, Lsq : là điện cảm ĐB-KTVC theo hướng dọc trục và ngang trục

- isd, isq: là các thành phần dòng điện stator trên hệ toạ độ dq

- ψp : là từ thông cực từ; ωs: tần số góc mạch stator; Tsd=Lsd/Rs ; Tsq=Lsq/Rs

- Rs: là điện trở mạch stator

2.3 Hệ thống điều khiển góc cánh

Hệ thống điều khiển góc cánh sử dụng hệ thống servo trong đó, động cơ được

sử dụng là động cơ đồng bộ ba pha kích thích nam châm vĩnh cửu Cấu trúc điều khiển hệ thống servo như hình 2.6.Phương pháp điều khiển áp dụng trong hệ servo

là phương pháp tuyến tính hoá chính xác

22

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.6 Hệ thống điều khiển góc cánh

2 4 Hệ thống điều khiển phía máy phát

Để đảm bảo công suất tác dụng mà máy phát phát ra được truyền lên lưới qua

tụ nối giữa hai bộ biến đổi, điện áp trên tụ phải được giữ không đổi Trong hệ toạ

độ tựa từ thông cực từ, nếu ta điều khiển để véc tơ dòng stator is vuông góc với véc

tơ từ thông cực từ , nghĩa là thành phần dòng từ hoá isd= 0, và toàn bộ dòng stator chỉ để tạo mô men (hay công suất tác dụng), khi đó nếu bỏ qua tổn hao trong máy phát và bộ biến đổi, công suất tác dụng máy phát phát ra được xác định như (2.29)

32

PMSG

NLMP SVPWM



r

+

REC : Bộ chỉnh lưu; NLMP: Nghịch lưu phía máy phát

ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái

MPPTP: Bộ điều khiển mờ xác định tốc độ máy phát

ứng với công suất cực đại lấy từ gió

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía máy phát

Biểu thức (2.29) nói lên rằng công suất tác dụng phát ra cũng như điện áp một chiều trung gian trên tụ được xác định bởi thành phần dòng isq, do đó điện áp trên tụ được điều khiển để duy trì điện áp trên nó không đổi thông qua thành phần dòng isq Trong đó: ĐKCTĐ: Điều khiển chuyển toạ độ trạng thái; ĐKTTMF: Điều khiển từ thông máy phát

2.5 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hoá chính xác

Góc pha của từ thông rotor với trục chuẩn được tính theo công thức sau:

PMSG

NLMP SVPWM

L di

L dx

d

u dt

từ (2.32) và (2.33) ta có mô hình phi tuyến của ĐCĐB biểu diễn theo quan hệ vào –

ra của hệ MIMO như sau:

(2.32)

p sd

L

L T

L dx

sd

p sd

L x x

L T

1 2

2 1

1

1 2

( )

( )( )

( )( )

i

m m

r

r f r

0w

s

L x x

T

u L

28

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ta sẽ thu được bộ điều khiển chuyển (còn được gọi la “ phản hồi”) trạng thái:

sq sd p sq

L x

T u

L

T u

L T

sd sd

L T

Lsq

w3[rad/s]

x1 = isd[A] x2 = isq[A]

2.6 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (mạch vòng dòng điện, U dc )

2.6.1 Tổng hợp vòng điều chỉnh vector dòng startor

Ta thấy, do hiệu quả tách kênh khi chuyển hệ mô hình trạng thái của đối tượng, ta có thể thiết kế các bộ điều chỉnh riêng rẽ cho từng trục d và q Sơ đồ cấu trúc của vòng điều chỉnh dòng startor sẽ có dạng như sau:

Có thể tách sơ đồ ở hình 2.9 thành hai vòng điều chỉnh thay thế tương đương:

trong đó: GIsd = 1/s ; GIsq = 1/s

Với cấu trúc của đối tượng như trên, ta áp dụng phương pháp thiết kế modul tối ưu và thu được các luật điều chỉnh dưới đây:

Động

cơ đồng

30

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1 ( )

Isd Isd

Isq Isq

thông cực từ là hằng (vĩnh cửu), mô men quay tỷ lệ thuận trực tiếp với thành phần

dòng isq Dòng startor chỉ có nhiệm vụ tạo ra mô men quaychứ không có nhiệm vụ

tạo từ thông Do đó khi xây dựng hệ thống máy điện kiểu T4R ta sẽ phải điều khiển

sao cho vector dòng startor is đứng vuông góc với từ thông cực, và do đó không có

thành phần dòng từ hoá isd (isd luôn đặt bằng không) mà chỉ có thành phần dòng tạo

mô men quay isq Điều đó có nghĩa là cấu trúc mạch vòng điều chỉnh bên ngoài của

ĐC ĐB kích thích vĩnh cửu chỉ tồn tại mạch vòng điều chỉnh tốc độ và không cần

mạch vòng điều chỉnh từ thông Ta có sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ

như sau:

W1

isd

isq θ

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng sẽ cho ta luật ĐC Rω(s) như sau:

2.7 Hệ thống điều khiển phía lưới

2.7.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới

Hệ thống điều khiển phía lưới được thực hiện điều khiển tựa theo hướng véc tơ điện áp lưới, sử dụng phương pháp điều khiển deadbeat

Khâu điều khiển mờ MPPTL xác định công suất cực đại lấy từ gió phát lên lưới Phân tích tương tự như khi thiết kế bộ điều khiển mờ MPPTP, ta có cấu trúc của bộ điều khiển mờ MPPTL với chức năng là tìm ra công suất cực đại lấy từ gió

để phát lên lưới như hình 2.13

32

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển phía lưới

2.7.2 Xây dựng mô hình dòng phía lưới

Hình 2.14 mô tả sơ đồ nguyên lý phía lưới điện sau khi đã tách ra từ mô hình tổng thể toàn hệ thống:

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phía lưới

Mạch điện phía lưới bao gồm 1 bộ biến đổi, khâu lọc RC lọc xung điện áp bị băm, cuộn cảm lọc dòng, máy biến thế và máy đóng ngắt Khi máy phát hoạt động ở

NLPL SVPWM