MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUR BINE GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN ĐỨC

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUR BINE GIÓ

SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TUR BINE GIÓ

SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP DFIG

Công trình được hoàn thành

HỌC ĐÀ

Người hướng dẫn khoa học: P G S TS LÊ KIM HÙNG

Phản biện 1: TS Đoàn Anh Tuấn

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Hồng Anh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ k ỹ t h u ậ t họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

Công trình được hoàn thành

HỌC ĐÀ

Người hướng dẫn khoa học: P G S TS LÊ KIM HÙNG

Phản biện 1: TS Đoàn Anh Tuấn

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Hồng Anh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ k ỹ t h u ậ t họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

DaiHocDaNang

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượng điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện

là các dạng năng lượng đang ngày càng cạn kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất

an toàn Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới Tuy nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được thực hiện với công suất nhỏ Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc

gia

Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3 công suất tổng của hệ thống máy phát Đồng thời, với ưu điểm có thể làm việc trong một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích vĩnh cửu với bộ biến đổi đặt ở phía stator,

nên được sử dụng ngày càng phổ biến

Khi vận hành các hệ thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc song song với lưới khi xảy ra

sự cố lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường càng sớm càng tốt sau khi sự cố lưới được loại bỏ Không những thế, hệ thống

DaiHocDaNang

điều khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình sự cố lưới, kể cả sự

cố lưới đối xứng và sự cố lưới không đối xứng

Với các lý do trên, tác giả chọn đề tài “Mô phỏng hệ thống tuốc bin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)”

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc, xây dựng mô phỏng hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và không làm mất khả năng trụ lưới của hệ thống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hệ thống máy phát điện

sức gió sử dụng MPĐKĐBNK

- Phạm vi nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiển máy phát

điện gió không đồng bộ nguồn kép

- Mô hình hóa của các thành phần trong hệ thống điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu phương pháp điều khiển của

tuốc bin gió

- Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép.

5 Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay trên thế giới trong đó có Việt Nam việc phát triển và triển khai dự án năng lượng gió để đáp ứng sử dụng điện hiện nay

cũng như trong tương lai là nhu cầu cấp thiết

Việc nghiên cứu phương pháp điều khiển máy điện gió sử dụng động cơ không đồng bộ nguồn kép góp phần khẳng định sự phát triển

DaiHocDaNang

và khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển cho máy phát điện gió

6 Bố cục đề tài

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió.

Chương 2: Mô hình máy phát điện không đồng bộ ngườn kép

Chương 3: Hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng bộ

nguồn kép

Chương 4: Mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện không

đồng bộ nguồn kép DaiHocDaNang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY ĐIỆN SỨC GIÓ

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

+ Tổng quan về tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới + Tổng quan về tiềm năng khai thác gió tại Việt nam

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện sức gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát

sự phát triển các loại máy phát điện sức gió hiện nay như hình 1.1

Hình 1.1 Các loại máy phát điện được sử dụng trong

hệ thống phát điện sức gió

DaiHocDaNang

Ngày nay, các hệ thống tuốc bin gió thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor Các máy phát đó còn được gọi là các máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG)

1.3 CẤU TẠO HỆ THỐNG TUỐC BIN GIÓ

Khái quát cấu tạo các bộ phận của hệ thống tuốc bin gió

Nêu biểu đồ các phương pháp điều khiển tốc độ gió, trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ trong tuốc bin

1.4 CÁC LOẠI MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ

Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động, cũng như phạm vi ứng

dụng của các loại máy phát điện Máy phát điện đồng bộ, máy phát điện cảm ứng, máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc, máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

Đặc biệt là máy phát điện không đồng bộ nguồn kép ( DFIG), được ứng dụng rộng rải trong máy phát điện sức gió

DaiHocDaNang

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống máy phát điện sức gió, đưa ra một cách khái quát về hệ thống năng lượng sử dụng sức gió cũng như đề cập đến đối tượng cần nghiên cứu là MPĐKĐBNK

Đồng thời nội dung trong chương cũng đã trình bày sơ lược về các loại máy điện không đồng bộ, tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống năng lượng gió và các kiểu mô hình hệ thống tương ứng với các dạng máy phát điện

DaiHocDaNang

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG)

+ Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các chế độ vận hành của MPĐKĐBNK,

+ Phương pháp tính dòng công suất của MPĐKĐBNK, sơ đồ tổng thể của hệ thống trình bày hình 2.1

Hình 2.1 Hệ thống máy phát điện (DFIG)

2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ TRỤC TỌA ĐỘ

Để giảm độ phức tạp của các phương trình vi phân mô tả động học của MPĐKĐBNK 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

DaiHocDaNang

Hệ trục tọa độ mới này có thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay 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 [3]

Trong các hệ thống truyền động điện hiện nay, 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

Qua nghiên cứu chương 2, tác giả đã:

+ Nêu mô hình động của đối tượng MPĐKĐBNK, thích hợp cho việc phân tích các đặc tính của máy điện xoay chiều ở chế độ xác lập lẫn quá độ

+ Tìm hiểu mô hình toán học MPĐKĐBNK, được xây dựng trong cả hai hệ trục tọa độ tham chiếu: hệ trục tọa độ tĩnh stator (hệ trục αβ) và hệ trục tham chiếu quay với tốc độ đồng bộ (hệ trục dq)

Hệ phương trình mô tả MPĐKĐBNK trong hệ trục αβ được dùng để xây dựng sơ đồ mô phỏng, còn hệ phương trình mô tả MPĐKĐBNK

trong hệ trục dq làm cơ sở để xây dựng thuật toán điều khiển

DaiHocDaNang

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN

KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN TRỤ LƯỚI

Phần này giới thiệu các sự cố và các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng vận hành của lưới

Các hệ thống máy phát sức gió sử dụng MPĐKĐBNK có nhược điểm là rất nhạy đối với các nhiễu loạn lưới Bởi vậy yêu cầu trụ lưới + Các tuốc bin gió phải bám lưới khi sự cố lưới

+ Hệ thống điều khiển cần duy trì làm việc và giảm dao động càng nhiều càng tốt trong suốt thời gian có sự cố lưới

+ Hệ thống phải được tái lập ổn định càng sớm càng tốt khi hết

+ Việc điều chỉnh tốc độ quay của tuốc bin có thể thực hiện trực tiếp bằng cách thay đổi góc pitch của cánh gió, thay đổi hướng nhận gió của các cánh gió hoặc thực hiện gián tiếp thông qua việc điều chỉnh công suất đầu ra của máy phát Nhằm đảm bảo vùng công suất tối ưu, các vùng làm việc của một tuốc bin gió như hình 3.1

DaiHocDaNang

Hình 3.1 Các vùng làm việc của một tuốc bin gió

+ Điều khiển cắt máy phát khỏi lưới sử dụng điện trở tiêu tán có điều khiển, và Stator chuyển đổi Cả 2 phương pháp hệ thống điều khiển máy phát đều bị vô hiệu hoá và máy phát được bảo vệ chống quá dòng, đảm bảo máy phát an toàn

+ Điều khiển kích từ: Bao gồm hai thành phần, điều khiển nghịch lưu phía máy phát và điều khiển nghịch lưu phía lưới

3.3 CẤU TRUC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MPKĐBNK

Hình 3.2 mô tả sơ đồ cấu trúc của một hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MPKĐBNK

Trong đó cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện 3 pha, còn cuộn dây rotor được nối với hệ thống biến tần (biến tần sử dụng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo 2 chiều Hệ thống biến tần bao gồm hai phần: Phần nghịch lưu phía lưới (NLPL) và phần nghịch lưu phía máy phát (NLMP) Hai phần này được nối với nhau qua mạch một chiều trung gian Trong đó

DaiHocDaNang

phần NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công suất tác dụng P gián tiếp qua đại lượng mG (mô men của máy phát) và công suất phản kháng Q qua , đồng thời nó cũng đảm nhận cả việc hoà đồng bộ máy phát vào lưới điện, cũng như tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết Phần NLPL không chỉ là chỉnh lưu thông thường lấy năng lượng từ lưới về, mà nó còn có khả năng thực hiện hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại phía lưới

MP 3

NLPL

ii

n

i

Bộ lọc

s n

s

r N

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sức gió

sử dụng MPKĐBNK

3.4 ĐIỀU KHIỂN PHÍA LƯỚI

Mô hình phía lưới: Từ các phương trình cơ bản tương ứng với mạch điện tương đương của lưới, qua các phép biến đổi đưa ra mô hình không gian của lưới, đây là cơ sở cho việc thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới

Hệ thống điều khiển phía lưới nhằm mục đích duy trì điện áp

DaiHocDaNang

một chiều trung gian và công suất phản kháng ở các giá trị mong muốn Phần này trình bày thiết kế hệ thống điều khiển phía lưới, đưa

ra cấu trúc điều khiển phía lưới với hai mạch vòng Mạch vòng trong

là mạch vòng điều khiển dòng lưới, mạch vòng ngoài là mạch vòng điều khiển dòng công suất

3.5 ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT

Bộ điều khiển phía máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh công suất tác dụng (thông qua điều chỉnh mômen điện mG) và công suất phản kháng Q (hoặc hệ số công suất ) Phần này trình bày hệ thống điều khiển phía máy phát bao gồm:

+ Đưa ra cấu trúc điều khiển phía rotor của MPKĐBNK

+ Trình bày sơ lược bộ điều khiển dòng phía máy phát dựa trên phương pháp Passivity -based (PBC)

3.6 TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ THỰC VÀ GIÁ TRỊ ĐẶT

3.7 HÕA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT LÊN LƯỚI

Việc hoà động bộ máy phát lên lưới là điều kiện để điều khiển các chế độ làm việc của hệ thống Phương pháp điều khiển tự động hoà đồng bộ máy phát lên lưới phải thoả mãn đồng thời 3 điều kiện sau:

+ Điện áp lưới và điện áp máy phát có cùng tần số

+ Điện áp lưới và điện áp máy phát trùng pha nhau

+ Điện áp lưới và điện áp máy phát có cùng trị số (biên độ)

3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Chương 3 đã tìm hiểu được các vấn đề:

+ Các thành phần điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng MPĐKKĐBNK

+ Xây dựng mô hình cấu trúc điều khiển phía lưới và phía máy phát

DaiHocDaNang

+ Sơ lược về việc hòa đồng bộ, điều kiện đảm bảo hòa đồng bộ với lưới

Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu ở chương 2 và chương 3, tác giả sẽ thực hiện việc mô phỏng hệ thống điều khiển MPĐKĐBNK ở chương 4 với việc sử dụng phần mền Matlab-Simulink

DaiHocDaNang

CHƯƠNG 4

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

4.1 CÁC SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG MPĐKĐBNK

Để kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển, ta thực hiện việc mô phỏng MPĐKĐBNK trên công cụ phần mềm Matlab - Simulink [5], với các thông số cho trên bảng 4.1

Mô hình PLECS của MPĐKĐBNK trình bày như hình 4.1, trong

đó có các điện trở R4, R5, R6 dùng tạo sự cố lưới (đối xứng ), các đồng hồ đo dòng, áp của stator và rotor

DaiHocDaNang

Khối mô tả hệ thống MPĐKĐBNK

Hình 4.1 Mô hình PLECS

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống MPĐKĐBNK như hình 4.2 trên

sơ đồ có: Khối mô hình máy phát, khối chuẩn hóa, khối bộ điều khiển phía lưới, khối điều khiển phía máy phát, khối các tín hiệu

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

DaiHocDaNang

Nguyên lý hệ thống điều khiển phía rotor

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển phía rotor trình bày như hình 4.3

Hình 4.3 Nguyên lý điều khiển phía rotor

Trong đó có khối điều chỉnh mô men và lấy dòng điện đưa đến bộ điều chỉnh dòng, còn dòng đưa đến bộ điều chỉnh dòng thông qua khối hòa đồng bộ, ngoài ra còn có khối điều chế hai

DaiHocDaNang

tín hiệu điện áp rotor thành phần theo trục d và q mong muốn của máy phát

Nguyên lý hệ thống điều khiển phía lưới

Sơ đồ nguyên lý điều khiển phía lưới trình bày như hình 4.4 Trong đó có khối bộ điều khiển dòng phía lưới đáp ứng bám nhanh theo các dòng điện lưới đặt trước, khối điều chỉnh điện áp một chiều trung gian, khối khiển công suất phản kháng giữa lưới và bộ biến đổi thông qua hệ số công suất

Hình 4.4 Nguyên lý điều khiển phía lưới

Bộ điều khiển dòng passivity-based (PBC)

Thành phần dòng điện thực idr, iqr bám tốt giá trị dòng điện đặt

được lấy từ bộ điều chỉnh mô men và công suất thông qua khối tính toán giá trị đặt

DaiHocDaNang

Xây dựng bộ điều chỉnh dòng (PBC) như hình 4.5

Hình 4.5 Bộ điều khiển dòng passivity-based (PBC)

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Khi thực hiện hòa đồng bộ

Đáp ứng dòng điện idr và iqr theo giá trị đặt như hình 4.6

Hình 4.6 Đáp ứng dòng điện i dr và i qr theo giá trị đặt

Đáp ứng điện áp pha stator máy phát và lưới như hình 4.7

DaiHocDaNang