Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy phát điện gió cảm ứng kích từ kép

- Hiện nay ở Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển ñiện gió.Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất, lắp ñặt rẻ hơn cũng như việc ñiều khiển các máy phát ñiện gió ñược dể dàng.. -

- 1 -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÙI VĂN VĨ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP

Chuyên ngành: Tự ñộng hóa

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2012

- 2 - Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH

Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng

6 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- 3 -

MỞ ĐẦU

1) Lý do chọn ñề tài:

- Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người

và là một yếu tố ñầu vào không thể thiếu ñược của hoạt ñộng kinh tế

- Ngày nay, trữ lượng than, dầu, khí ñang ngày càng cạn kiệt

- Hiện nay ở Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển ñiện

gió.Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất, lắp ñặt rẻ hơn cũng

như việc ñiều khiển các máy phát ñiện gió ñược dể dàng

- Qua ñây chúng ta nhận thấy rằng tình hình khai thác năng lượng

gió chưa xứng tầm với tiềm năng hiện có, và việc khai thác tốt tiềm

năng này ñể phục vụ cho nhu cầu năng lượng là việc làm cấp thiết

- Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn tài “Nghiên cứu hệ

thống ñiều khiển máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ kép’’ làm ñề tài

nghiên cứu với mong muốn thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra

2) Mục tiêu của ñề tài:

- Nghiên cứu thuật toán ñiều khiển và mô phỏng máy phát ñiện

gió cảm ứng trên Matlab

3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Phân tích hoạt ñộng, ñiều khiển máy phát ñiện gió cảm ứng kích

từ kép DFIG (Doubly Fed Induction Generator)

- Mô hình hóa của các thành phần trong hệ thống năng lượng gió

- Sử dụng Matlab mô phỏng máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ

kép DFIG với sự thay ñổi vận tốc gió

4) Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu cấu tạo và cấu trúc truyền

ñộng của turbine gió

- Sử dụng phần mềm Matlab ñể tính toán và mô phỏng

- Đánh giá kết quả và ñề xuất hướng phát triển của ñề tài

- 4 -

5) Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài:

Hiện nay trên thế giới trong ñó có Việt nam việc phát triển và triển khai dự án năng lượng gió ñể ñáp ứng sử dụng ñiện hiện nay cũng như trong tương lai là nhu cầu cấp thiết

Việc nghiên cứu thuật ñiều “khiển máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ kép” góp phần khẳn ñịnh vấn ñề phát triển và khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết ñiều khiển cho máy phát ñiện gió

6) Cấu trúc luận văn:

Ngoài phần mở ñầu, phần kết thúc và phụ lục Luận văn gồm có 4 chương Cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng gió thế giới và Việt Nam Chương 2: Nguyên lý máy phát ñiện gió

Chương 3: Mô hình thuật toán máy phát ñiện gió cảm ứng kích

từ kép

Chương 4: Thuật toán ñiều khiển và mô phỏng hệ thống máy phát ñiện gió cảm ứng kích từ kép

- 5 -

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

1.1 Thực trạng năng lượng và môi trường

Năng lượng là một trong các ñiều kiện thiết yếu trong ñời sống

con người và là một yếu tố ñầu vào không thể thiếu ñược của mọi hoạt

ñộng kinh tế

Ngày nay, trữ lượng than, dầu, khí ñang ngày càng cạn kiệt Mặt

khác, khi dùng chúng ñể phát ñiện sẽ phát thải khí nhà kính vào khí

quyển, trái ñất ngày càng nóng lên, gây biến ñổi khí hậu toàn cầu Các

tai họa như hạn hán, bão lụt xảy ra trên toàn thể giới ngày càng trầm

trọng

1.2 Tình hình sử dụng ñiện gió hiện nay và những triển vọng

trong tương lai

Trong gần 10 năm trở lại ñây nó mới khẳng ñịnh ñược vị trí trên

thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng ñiện gió tăng trưởng một

cách ngoạn mục với tốc ñộ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn

năng lượng hiện có

Tiến bộ về công nghệ có tính ñột phá ñã giúp giảm giá thành ñiện

gió xuống nhiều lần, ñồng thời tăng công suất, hiệu quả và ñộ tin cậy

của các trạm ñiện gió

1.3 Tiềm năng và tình hình khai thác ñiện gió tại Việt Nam

1.3.1 Khả năng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam

- Theo bản ñồ phân bố các cấp tốc ñộ gió của tổ chức Khí tượng

thế giới và bản ñồ phân bố các cấp tốc ñộ gió của khu vực Đông Nam

Á, do tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của

Ngân hàng Thế giới, xuất bản năm 2001, cho thấy: Khu vục ven biển tự

Bình Định ñến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía bắc

trung bộ, nhiều nơi có tốc ñộ gió ñạt từ 7.0; 8.0 và 9.0 m/giây, có thể

phát ñiện với công suất lớn (nối lưới ñiện quốc gia), hầu hết ven biển

- 6 - còn lại trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong ñất liền tốc ñộ gió ñạt

từ 5.0 ñến 6.0 m/giây, có thể khai thác gió kết hợp ñiêden ñể tạo nguồn ñiện ñộc lập cung cấp cho hải ñảo, vùng sâu, vùng xa

1.3.2 Khả năng khai thác năng lượng gió ở Việt Nam tại các ñộ cao khác nhau

1.3.2.1 Tại ñộ cao 10m trên mặt ñất 1.3.2.2 Tại ñộ cao 20m trên mặt ñất 1.3.2.3 Tại ñộ cao 40m trên mặt ñất 1.3.2.4 Tại ñộ cao 60m trên mặt ñất

1.3.3 Bản ñồ phân bố năng lượng gió ở Việt Nam

Bản ñồ phân bố năng lượng gió ở Việt Nam trên ñất liền và trên

biển

Hình 1.3 Tiềm năng gió trong ñất liền ở ñộ cao 65m

Nguồn : Ngân hàng thế giới 1.4 Tình hình khai thác ñiện gió tại Việt Nam

Cũng ngay từ ñầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước, một số nhà ñầu tư

và chuyên gia về năng lượng gió của Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Italia, Mỹ ñã tiếp xúc và tìm hiểu về nguồn năng lượng gió ở Việt Nam, cũng ñã ñề xuất hợp tác hoặc tài trợ, xây dựng các trạm phát ñiện sức gió tại Viêt Nam như: Nhà máy ñiện gió tại huyện ñảo Bạch Long Vĩ,

- 7 -

TP Hải Phòng Công suất 800kW, Phú Quý với công suất thiết kế (giai

ñoạn 1) là 3MW, công trình Nhà máy phong ñiện Phương Mai 3 chính

thức ñược khởi công xây dựng tại ñịa bàn hai xã Cát Chánh và Cát

Tiến, bán ñảo Phương Mai (huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định), Dự án ñiện

gió tại huyện Tuy Phong-Bình Thuận…

1.5 Các dự án phát triển ñiện gió ñang thực hiện

Hai dự án ñiện gió tại Quy Nhơn: Công suất dự kiến là 51MW và

84MW do công ty Gravbovski của Đức thực hiện

Dự án ñiện gió tại huyện Tuy Phong-Bình Thuận công ty cổ phần Năng

lượng tái tạo Việt Nam (REVN) với tổng công suất dự án là 120 MW

Nhà máy ñiện gió với công suất 50MW, tại xã Phước Minh, huyện Ninh

Phước

- 8 -

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.1 Năng lượng gió

Xét một khối không khí có khối lượng m chuyển ñộng với vận

tốc v Động năng của nó E ñược cho bởi

2.2 Đường cong công suất của turbine gió

Hình 2.1 Đồ thị mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió

v

m

A

] [J 2

ν

m

WINDSPEED (m/s)

- 9 -

2.3 Cấu tạo của turbine gió

2.3.1 Các bộ phận chính trong turbine gió (Trục ngang)

2.3.2 Các dạng turbine gió

2.3.2.1 Turbine gió trục ñứng

2.3.2.2 Turbine gió trục ngang

2.4 Máy phát trong hệ thống turbine gió

2.4.1 Máy phát ñồng bộ

2.4.2 Máy phát không ñồng bộ:

2.5 Hệ thống ñiều khiển turbine gió

2.5.1 Hệ thống ñiều khiển góc pitch và ñiều chỉnh hướng turbine

Với các turbine gió góc pitch thay ñổi, các cánh quạt có khả năng

xoay quanh ñầu trục ñỡ, ñiều chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh

turbine ñể ổn ñịnh tốc ñộ

2.5.2 Công suất thu ñược của turbine gió

p 3 2 p

3

C 2

1 C 2

1

ν ρπ ν

Đường cong hiệu suất turbine

Hình 2.17 Đường cong hiệu suất turbine

Cp

0.6

ν

νd

- 10 - Vậy công suất lớn nhất mà turbine gió có thể thu ñược :

Pm max = 3

2

1 27

16

v

Α

ρ

2.5.3 Tương quan giữa tốc ñộ và công suất ngõ ra của turbine gió

Hình 2.18 Quan hệ công suất ngõ ra với vận tốc gió và tốc ñộ

Từ ñồ thị nhận thấy rằng ứng với mỗi vận tốc gió, tồn tại một tốc

ñộ của turbine cho công suất ngõ ra cực ñại

2.5.4 Bộ phận chuyển ñổi công suất

Hiện nay trong các turbine gió thường sử dụng bộ chuyển ñổi nguồn ñiện áp back-to-back

Đường cong công suất

tối ưu

Tốc ñộ turbine ωwtr (pu)

DC

Hình 2.21 Cấu trúc của bộ chuyển ñổi nguồn ñiện áp back-to-back

- 11 -

2.5.5 Mạch liên kết DC

2.6 Sự truyền ñộng và hiệu suất của máy phát

2.7 Các cách thức hoạt ñộng của turbine gió

2.7.1 Turbine gió tốc ñộ cố ñịnh

Hình 2.25 Sơ ñồ turbine gió tốc ñộ cố ñịnh dùng máy phát cảm

ứng

Thông thường turbine gió tốc ñộ cố ñịnh gồm máy phát cảm ứng

rotor lồng sóc kết nối lưới, với một bộ khởi ñộng mềm và một bộ tụ ñể

bù công suất phản kháng

2.7.2 Turbine gió tốc ñộ thay ñổi

Hiện tại có hai dạng thường ñược sử dụng là :

Turbine gió máy ñiện cảm ứng kích từ kép (Doubly fed induction

generator ) (DFIG)

Turbine gió máy ñiện ñồng bộ với bộ chuyển ñổi toàn phần (Full

size converter)

2.7.3 Turbine gió máy ñiện cảm ứng kích từ kép (DFIG)

Hình 2.26 Sơ ñồ turbine gió tốc ñộ thay ñổi dùng máy phát DFIG

- 12 - Trong hệ thống chỉ một phần công suất ñi qua bộ chuyển ñổi công suất, như vậy giá thành của bộ chuyển ñổi và hệ thống sẽ thấp hơn

so với hệ thống chuyển ñổi hoàn toàn khi toàn bộ công suất ñi qua bộ chuyển ñổi

2.7.3 Máy ñiện ñồng bộ với bộ chuyển ñổi toàn phần (Full size converter)

Hình 2.27 Sơ ñồ turbine gió tốc ñộ thay ñổi dùng bộ chuyển ñổi

toàn phần máy phát ñồng bộ

Trong hệ thống bộ chuyển ñổi biến ñổi toàn bộ công suất của máy phát, do vậy có thể ñiều khiển ñược chính xác công suất phản kháng và công suất tác dụng vào lưới

- 13 -

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH THUẬT TOÁN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẢM ỨNG

KÍCH TỪ KÉP 3.1 Mô hình gió

Vận tốc gió có thể ñược tính toán sau:

Vwind(t) = vwa + vwr(t) + vwg(t) + vwt(t)

Mô hình gió ñược tạo trên simulink như hình

3.2 Mô hình rotor turbine gió

Moment ñộng học có thể xác ñịnh theo hệ số CP theo công thức

P wtr R C

5

0

=

Mô hình rotor turbine gió như hình

Hình 3.2 Sơ ñồ mô phỏng rotor turbine gió

3.3 Mô hình truyền ñộng

Phương trình truyền ñộng ñược mô tả

Hình 3.1 Sơ ñồ mô phỏng mô hình gió

- 14 -

dt

d J T

ech wtr m

ω

=

Momen quán tính tương ñương

2

gear

wtr ech

k

J J

Momen turbine gió tương ñương

' 2

gear

wtr wtr

k

T

sơ ñồ mô hình rotor turbine gió như hình

Hình 3.3 Sơ ñồ mô phỏng mô hình truyền ñộng

3.4 Mô hình máy ñiện

3.4.1 Mô hình máy phát ñiện không ñồng bộ (Máy ñiện cảm ứng ) 3.4.2 Mô hình máy phát ñiện cảm ứng rotor dây quấn trong hệ trục ABC/abc

3.4.3 Mô hình máy ñiện cảm ứng rotor dây quấn trong hệ tọa ñộ tham chiếu d-q vuông góc

Phương trình ñiện áp stator

- 15 -

e qs

e ds e ds s

e

ds

dt

d i R

v = + ψ −ωψ (3.12)

e ds

e qs e

qs s e

qs

dt

d i R

Phương trình ñiện áp rotor

e dr r s

e ds e dr r

e

dr

dt

d i R

v = + ψ − ( ω − ω ) ψ (3.13)

e qr r s

e qs e qr r

e

qr

dt

d i R

Momen ñiện từ

2

3 ) (

2

3 ) (

2

ds e qr e qs e dr e

ds e qs e qs e ds e

qr e dr e dr e

qr

3.5 Mô hình máy ñiện cảm ứng kích từ kép (DFIG)

3.5.1 Sơ ñồ tương ñương DFIG ở chế ñộ xác lập

Hình 3.8 Sơ ñồ tương ñương DFIG ở chế ñộ xác lập

Các phương trình ñiện áp

) ( s r Rm

m s s ls s s s

) ( s r Rm

m s r lr s r r r

I I I L j I L j I s

R s

V

+ + +

+

0 = R I + j ω L ( I + I + I ) (3.17)

Rm

Rs

Vs

s

V r

jω1Lm

IRm

jωsLlr Ir Rr/s

Is jωsLls

- 16 -

Độ trượt

s

r s

s

ω

ω

= (3.18)

Từ thông khe hở không khí, từ thông stator và từ thông rotor xác ñịnh bởi

) ( s r Rm

m

m = L I + I + I

ψ (3.19)

m s ls Rm r s m s ls

m r lr Rm r s m r lr

Công suất stator và rotor khi bỏ qua các tổn thất xác ñịnh bởi

[ ] 3 2 3 2 3 Im[ ]* 3 Im[ ]*

Im 3 Im

3 3

P = & = − ω ψ ≈− ω ψ (3.32) Công suất cơ sinh ra bởi DFIG xác ñịnh bởi

[ ]* [ ]* [ ]*

Im 3 Im

3 Im

Như vậy :

m

s P

−

=

1

1

m

s

s P

−

=

Từ ñây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các

cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt

Tùy thuộc vào ñiều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể ñi theo hai chiều :

Từ lưới qua bộ chuyển ñổi công suất ñến rotor khi ở dưới tốc ñộ ñồng bộ, Pr < 0

- 17 -

Từ rotor qua bộ chuyển ñổi công suất ñến lưới khi ở trên tốc ñộ

ñồng bộ, Pr > 0

Trong cả hai trường hợp trên Ps ñều phát công suất về lưới, Ps >0

3.5.2 Mô hình ñộng của DFIG

Mạch ñiện tương ñương

Hình 3.10 Mạch ñiện tương ñương mô hình ñộng DFIG

trong hệ trục tọa ñộ tham chiếu d-q

Phương trình ñiện áp stator

dt

d i

R v

e ds e

qs s e ds s e ds

ψ ψ

−

dt

d i

R v

e qs e

ds s e qs s e qs

ψ ψ

+

= (3.39)

Phương trình ñiện áp rotor

dt

d i

R v

e dr e

qr r s e dr r e dr

ψ ψ

ω

−

L

e

ds

v

Rs ωsψqs e

e dr v

+

e

ds

i

+

+

Llr (ωs – ωr)ψqs e Rr

-

e dr

i

L

e

qs

v

Rs ωsψds e

+

e

qs

i

+

+

Llr (ωs – ωr)ψds e Rr

-

e qr i

e qr v

Trục d

Trục q

- 18 -

dt

d i

R v

e qr e

dr r s e qr r e qr

ψ ψ ω

+

Từ thông móc vòng





















































+ +

+

+

=





























e qr

e dr

e qs

e ds

m lr m

m lr m

m m

ls

m m

ls

e qr

e dr

e qs

e ds

i i i i

L L 0

L 0

0 L

L 0 L

L 0

L L 0

0 L

0 L

L

ψ ψ ψ

ψ

(3.42)

Momen ñiện từ Te cho bởi

) (

2

3 ) (

2

3 ) (

2

ds e qr e qs e dr e

ds e qs e qs e ds e

qr e dr e dr e qr

- 19 -

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG DFIG

4.1 Những vấn ñề chung khi kết nối các turbine gió với lưới ñiện

4.1.1 Điều khiển công suất tác dụng

4.1.2 Khoảng tần số hoạt ñộng

4.1.3 Điều chỉnh ñiện áp và bù công suất phản kháng

4.2 Thuật toán ñiều khiển của Turbine gió máy ñiện cảm ứng kích

từ kép (DFIG)

4.2.1 Cơ sở lý thuyết của việc ñiều khiển

Định hướng hệ trục tọa ñộ quay d-q

Hình 4.2 Mối quan hệ giữ các ñại lượng trong hệ trục tọa ñộ αβ và

d-q

4.2.2 Điều khiển ñộc lập công suất tác dụng và công suất phản

kháng phía stator

Công suất tác dụng Ps , công suất phản kháng Qs và momen

ñiện từ Te

dr s s

m e

ds s

s u i u i P

L

L 2

3 2

3

−

=

= (4.14)

) L

L L

( 2

qr s m

s

e qs s

Q =− ψ − (4.15)

e dr e qs m

L

L 2

3

−

= (4.16)

q

β

e qr

v

e

v

e dr

v

d

θ

s e

ωs

- 20 - Với us và ωs lần lượt là ñiện áp và tần số lưới ñược xem như không ñổi Theo (4.14) và (4.15) ta thấy công suất tác dụng Ps và công suất phản kháng Qs có thể ñiều khiển ñộc lập thông qua i dr e và iqr e

4.3 Hệ thống ñiều khiển và kết quả mô phỏng turbine gió tốc ñộ thay ñổi máy phát DFIG kết nối với lưới ñiện

Từ các phương trình toán ta xây dựng sơ ñồ khối của máy phát ñiện chạy sức gió sử dụng máy ñiện dị bộ rotor dây quấn DFIG

Hình 4.4 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển turbine gió

Việc ñiều khiển turbine gió thường là ñiều khiển tốc ñộ turbine gió và ñiều khiển bộ chuyển ñổi công suất ñối với các turbine gió kết nối lưới thông qua bộ AC-DC-AC

Hộp số

Power converte

Kênh ñiều khiển DFIG

Điều khiển

phía rotor

Điều khiển

phía lưới

Kênh ñiều khiển Turbine

Điều khiển công suất Điều khiển tốc ñộ

Vận hành

hệ thống

mea r

ω ν

N

M

mea dc U

ref s P

ref n P

mea n P

ref s

Q ref dc U

mea s Q

mea s P

mea f i ref

pitch

β

mea r i