Điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG

Nội dung text: Điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG

1. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DÙNG DFIG TS. Nguyễn Thanh Phương Đặng Ngọc Toàn Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM Trường Cao Đẳng Nghề Kiên Giang TÓM TẮT Đứng trước thách thức thiếu hụt điện, cùng với việc các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt (giá nguyên liệu ngày càng tăng cao) và vấn đề về ô nhiễm môi trường, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống; mặt khác, thậm chí còn quan trọng hơn là phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo. Để phát triển nguồn năng lượng sạch, trong thời đại ngày nay có các loại năng lượng như: gió, mặt trời, thủy triều trong đó năng lượng gió được xem là năng lượng lý tưởng mà các quốc gia đã và đang phát triển phù hợp với xu hướng thời đại của nhân loại. Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG. Bằng cách thiết lập mô hình nội điều khiển, do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC, nên mục tiêu điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng phía stator của máy phát DFIG được qui về điều khiển độc lập hai thành phần vector dòng điện stator trên hệ tọa độ tham chiếu d-q ở chế độ xác lập. Việc điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát điện DFIG và lưới điện được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình nội để điều khiển độc lập hai thành phần của vector dòng stator bằng cách tác động lên điện áp phía rotor thông qua bộ chuyển đổi AC/DC/AC. Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên phần mềm của Matlab. Từ khóa: Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) Internal Model Control (IMC) ABSTRACT Frecede voltaic deficient challenge, together with traditional power sources is more and more exhaust (highly increasing materials cost) and problem environmental pollution, Viet Nam need there is energetic security warranty strategy by who on the one hand enlarge traditional power sources exploitation; on the other hand, even still more important is new power sources development, particularly power sources clean and enable to recreate. In order to develop clean power source, in era nowadays have energetic kinds as: wind, sun, tide among them wind power is looked up it be ideal energy that countries under development in conformity with trending towards of human. The main content of this thesis is the study of the control system used DFIG wind generators. By setting the internal model control, Due to the stator of the generator is connected directly to the grid voltage and grid voltage fixed while the rotor is connected through a converter AC/DC/AC, so independent control objectives active and reactive power to the generator stator of DFIG is required of independent control of two vector components stator current on d-q reference coordinate system in the setting mode. The control power flow exchanged between the DFIG generator stator and the grid is made using Internal Model Controller to control two independent components of the stator current vector by acting on the rotor side voltage through the converter AC/DC/AC. Simulation models are built based on Matlab software. Keywords: Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) Internal Model Control (IMC) 1
2. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh I. GIỚI THIỆU 3 e * 3 e e e s Ps Revs is  (vdsids vqsiqs) Hệ thống điều khiển tuabin gió tốc độ thay đổi 2 2 (4) dùng DFIG với mục tiêu là điều khiển công suất 3 e * 3 e e e s Q Imv i  (v i v i ) (5) phản kháng trao đổi giữa máy phát và lưới điện, s 2 s s 2 qs ds ds qs điều khiển bám các điểm vận hành tối ưu của Với sự định hướng hệ trục tọa độ d-q theo tuabin nhằm đạt công suất thực cực đại nhận từ vector điện áp lưới thì công suất tác dụng và công gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào nhằm suất phản kháng như sau: tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn. Các Do ve 0 qr hệ thống phụ (khí động học, cơ học, điện, v.v) 3 e e 3 e Ps vdsids us ids của tuabin có phạm vi thời hằng khác nhau và 2 2 (6) thời hằng điện thường nhỏ hơn nhiều so với thời 3 3 Q ve i e u i e hằng cơ hay nói cách khác quá trình điện động s ds qs s qs 2 2 (7) thường diễn ra nhanh hơn rất nhiều so với quá trình động học cơ khí. Để xây dựng hệ thống điều III. MÔ HÌNH TỔNG THỂ CÁC KHỐI ĐIỀU khiển dòng công suất giữa stator và lưới, giải KHIỂN HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG. pháp đưa ra là sử dụng mô hình nội và bộ lọc imc. Thông qua bộ chuyển đổi ta sẽ điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát DFIG bằng cách điều khiển dòng điện stator. II. ĐIỀU KHIỀN ĐỘC LẬP CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG STATOR. Từ các phương trình điện áp stator và rotor trong hệ trục tọa độ d-q. Ta có: Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phát nguồn kép DFIG d e ve R i e  e ds ds s ds s qs dt A. Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội. d e e e e qs Sơ đồ điều khiển dùng mô hình nội bao vqs R s i qs  s ds dt (1) gồm mô hình thuận là mô hình của đối tượng d e điều khiển, mô hình ngược là nghịch đảo truyền ve R i e ()   e dr dr r dr s r qr dt đạt của mô hình thuận, lọc IMC là bộ lọc thông d e thấp xác định hàm truyền đạt của hệ thống vòng ve R i e ()   e qr kín. Nếu mô hình thuận mô tả chính xác đối qr r qr s r dr dt (2) tượng và trong điều kiện không có nhiễu (d(t)=0), Từ thông stator và rotor: hệ thống làm việc trong chế độ vòng hở và hàm e e e  ds L s i ds L m i dr truyền đạt từ tín hiệu đặt r(t) tới tín hiệu ra y(t) e e e được xác định ở bộ lọc IMC.  qs L s i qs L m i qr Phương pháp điều khiển mô hình nội có ưu  e L i e L i e dr m ds r dr điểm là các điều kiện về ổn định nội và tính bền e e e  qr L m i qs L r i qr (3) vững được diễn tả một cách đơn giản thông qua Công suất biểu kiến tức thời đầu cực stator: các hàm truyền đạt của hệ thống nên dễ sử dụng S P jQ trong thiết kế. s s s 2
3. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 3 e e e e (14) Qs v qs i ds v ds i qs 2 Trong hệ tọa độ d-q , điện áp stato ee vds v s;0 v qs (15) Với Vs là biên độ điện áp phía stato Công suất stato (13) và (14) viết lại như sau: 3 P vee i (16) s2 ds ds 3 Q vee i (17) s2 ds ds Hình 2: Hệ thống điều khiển mô hình nội áp dụng Đặt các véctơ biến trạng thái, véctơ tín hiệu vào, cho máy phát điện DFIG véc tơ tín hiệu ra và các ma trận như sau: TT B. Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG. e e e e e e x ids i qs  dr qr ; y i ds i qs Để thuận tiện cho việc xây dựng luật điều khiển, TT e e e e giả thuyết khử các biến ít quan trọng là dòng điện vs v ds v qs ; v r v dr v qr rotor ie và từ thông stator  e , giữ lại dòng điện r s a1 sr a 2 a 4 a 2 a 3 0 e e  a a a a 0 a stator is và từ thông rotor  r ta thu được: AB sr1 2 2 4 ; 3 a L 0 a  s L 1 44m s r 0 0 iie m e  e r s r 0 a L  a 0 0 LLrr (8) 44m r s LL2 e ()Li mm e e a 2 0 s sLL s r rr 0 a 1 0 0 0 2 e e Br ;C e edis L m e L m d r 1 0 0 1 0 0 vr () R s j s L s i s  L s j  s  r dt Lrr L dt 0 1 (9) L 1 d e Khi đó, ta có biểu diễn trạng thái của hệ thống ve m i e j()   e r r s s r r rr dt như sau : Rút gọn biểu thức (9) ta có: . xt()()()() Axt BVts s BVt r r e (18) dis 1 1 e 1  1 e 1 e 1  e js i s j  r  r v s v r y()() t Cx t dt   L   L  L s r m r s m (10) e Từ (18) ta có: d L e 1 e e r m i j()   v s s r r r Y()()()()() s Hs s V s s H r s V r s (19) dt rr Để đơn giản, đặt thêm các hệ số phụ như sau: Trong đó: 1 1 1  1 1 1 Hss()() s C sI A B (20) a ,,, a a a (11) 1 2 3 4 s  r LL m  s  r Khi đó phương trình trở thành: C. Hệ thống điều khiển máy phát dùng mô die hình nội. ds a ie  i e a a  e  a  e a v e a v e dt 1ds s qs 2 4 dr r 2 qr 3 ds 2 dr die qs a ie  i e a a  e  a  e a v e a v e (12) dt 1qs s ds 2 4 qr r 2 dr 3 qs 2 qr d e dr a L ie a e    e v e dt 44m ds dr s r qr dr d e qr a L ie a e    e v e dt 44m qs qr s r dr qr Công suất phía stato Ps và Qs 3 e e e e (13) Hình 3: Hệ thống điều khiển dùng mô hình nội Ps v ds i ds v qs i qs 2 3
4. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh  Xây dựng mô hình thuận Mô hình thuận xác định truyền đạt từ tín T hiệu vào eeđến tín hiệu ra vr v dr v qr T y i i . ds qs 1 Hình 6: Sơ đồ simulink của bộ lọc IMC Hrr()() s C sI A B (21) D. Điều khiển mô hình nội. Mục đích chính của hệ thống là điều khiển độc lập 2 thành phần công suất phía stator Ps và Qs. Nếu xem Vs không đổi thì mục đích điều khiển độc lập Ps và Qs tương đương với điều e e khiển 2 thành phần dòng điện stator ids và iqs . Hình 4: Sơ đồ simulink của mô hình thuận ref ref 3 Ps  Xây dựng mô hình ngược ids (24) Mô hình ngược là nghịch đảo của mô hình 2 vs ref thuận. ref 3 Q i s (25) Mô hình ngược xác định truyền đạt từ tín qs 2 v T s ref ref hiệu vào  iids qs đến tín hiệu ra Với Ps và Qs là công suất stator chuẩn. 1 HHaa11 12 Har( s )  H (s) (22) HHaa21 22 Hình 7: Khối tín hiệu đặt idqs_ref IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. A. Kết quả mô phỏng mô hình nội. Với giá trị đặt cho hai thành phần của véctơ dòng stator tương ứng với công suất tác dụng và Hình 5: Sơ đồ simulink của mô hình ngược công suất phản kháng yêu cầu bên phía stator  Xây dựng bộ loc IMC DFIG. Giá trị đặt có đồ thị như hình 8 và được Bộ lọc IMC được chọn là hai bộ lọc thông giữ không đổi cho tất cả các trường hợp khảo sát. thấp có hàm truyền: Dong dien dat idqs-ref [A] 5 1 ids-ref Fs() 4 Ts 1 iqs-ref 3 Lọc IMC xác định truyền đạt danh định từ 2 T các tín hiệu đặt r iref i ref đến tín hiệu ra 1 ds qs 0 idqs-ref [A]idqs-ref -1 eeT -2 y ids i qs Bộ điều khiển IMC được xác định như sau: -3 -4 -5 1 HHcc11 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian [s] Hc() s  H r (s) F () s H a ()() s F s (23) HHcc21 22 Hình 8 : Tín hiệu đặt idqs-ref 4
5. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Nhận xét: So sanh dong iqs-ref va iqs [A] 5 Kết quả mô phỏng hình 8 cho thấy các tín hiệu đặt. 0 Khoảng thời gian từ 0→2s được giả thiết tương ứng với thời gian để khởi động hệ thống, -5 thực hiện kích từ và hòa đồng bộ DFIG với lưới -10 điện. Trong giai đoạn này, 02 thành phần của iqs-ref va iqs [A] véctơ dòng stator bằng không. -15 Trong khoảng thời gian t = 2→3s , giá trị -20 đặt ids_ref được thiết lập để thực hiện một sự thay 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian [s] đổi nấc từ 0 → - 4A (ứng với công suất đặt Ps_ref = -2280 W ), hệ thống bắt đầu phát công suất về Hình 9b Đáp ứng dòng iqs-ref và iqs Nhận xét: lưới. Trong khi đó, giá trị đặt iqs_ref được giữ bằng không . Kết quả mô phỏng ở hình 9a và hình 9b Trong khoảng thời gian t = 3 →5s , giá trị cho thấy sai số xác lập của dòng stator bằng 0. Hai thành phần dòng điện ids và iqs được điều đặt iqs_ref được áp dụng để thực hiện một thay đổi nấc từ 0 → - 5A (tương ứng với giá trị đặt khiển độc lập nhau bám với giá trị đặt và ids đáp ứng nhanh hơn iqs. Tại thời điểm t = 7s thì ids bám công suất kháng Qs_ref = 2850Var ), hệ thống tiêu thụ công suất kháng từ lưới. Giá trị điều giá trị đặt, tại thời điểm t = 9s thì iqs bám giá trị đặt. Vì thế ta có thể điều khiển độc lập công xuất khiển ids_ref vẫn duy trì ở mức - 4A. P và Q . Trong khoảng thời gian t = 5→7s giá trị đặt s s  Công suất và từ thông. i có sự thay đổi nấc từ -4→ 0A. Giá trị điều ds_ref 4 x 10 Ps va Qs phia stator 2 khiển iqs_ref vẫn duy trì ở mức - 5A. Ps Qs Trong khoảng thời gian t = 7 → 10s giá trị 1.5 đặt iqs_ref có sự thay đổi nấc từ -5A → 5A (ứng 1 với công suất kháng yêu cầu Qs_ref = -2850 Var), hệ thống phát công suất kháng về lưới. Giá trị 0.5 Ps và Qs [w, var] 0 điều khiển ids_ref vẫn duy trì ở mức 0A. Quá trình mô phỏng kết thúc ở thời điểm -0.5 t = 10s . -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  So sánh idqs-ref và idqs. Thoi gian [s] So sanh dong ids-ref va ids [A] Hình 9c Công suất Ps và Qs của hệ thống 15 Tu thong rotor [wb] 2 1 10 0 -1 5 -2 -3 Tu thong rotor [wb] Tu rotor thong -4 0 ids-ref ids-ref va ids [A] -5 -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 Thoi gian [s] Hình 9d Từ thông rotor Ψdr và Ψqr -10 Nhận xét: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Công suất tác dụng và phản kháng đầu cực Thoi gian [s] stator ở hình 9c có dạng đồ thị tương ứng giống Hình 9a Đáp ứng dòng ids-ref và ids với đồ thị hai thành phần của véctơ dòng stator vì điện áp stator được cố định theo điện áp lưới (có 5
6. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh So sanh dong ids-ref va ids [A] giá trị hầu như không đổi) và được điều khiển 10 độc lập nhau. 8 Từ thông trên hai đầu cực của rotor có dạng 6 đồ thị tương ứng ở hình 9d và được điều khiển 4 độc lập nhau cho thấy điều khiển mô hình nội với 2 mô hình ngược tính đúng, khi tín hiệu dòng đặt 0 ids-ref ids-ref va ids [A] ids_ref và iqs_ref có sự thay đổi nấc như hình 8 các -2 đáp ứng không bị ảnh hưởng. -4 B. Khảo sát tính bền vững của hệ thống. -6  Khi tăng hoặc giảm 30% điện trở stato -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rs và điện trở rotor Rr . Thoi gian [s] 4 x 10 Ps va Qs phia stator 2 Hình 11a Đáp ứng dòng ids-ref và id So sanh dong iqs-ref va iqs [A] 5 1.5 1 0 0.5 -5 Ps và Qs [w, var] 0 -10 iqs-ref iqs-ref va iqs [A] -0.5 -15 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian [s] -20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 10a: Công suất Ps và Qs của hệ thống Thoi gian [s] Tu thong rotor [wb] 2 Hình 11b Đáp ứng dòng iqs-ref và iqs 1 Nhận xét: Ta thấy khi giá trị của L và L tăng hoặc 0 m r giảm 30% mặc dù sự thay đổi điện cảm từ hóa và -1 điện cảm rotor là khá lớn nhưng cả hai trường -2 hợp ids và iqs như kết quả mô phỏng cho thấy đáp -3 Tu thong rotor [wb] Tu rotor thong ứng luôn bám giá trị đặt. Được thể hiện ở hình -4 11a và 11b, các sai số này có thể được coi là lý -5 tưởng. Như vậy, hệ thống điều khiển có tính bền -6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 vững cao đối với sự thay đổi Lm và Lr. Thoi gian [s]  Khi tăng T=0.7 hoặc giảm T=0.1 Hình 10b: Từ thông rotor Ψdr và Ψqr So sanh dong ids-ref va ids [A] 10 Nhận xét: 8 Ta thấy khi tăng hoặc giảm 30% giá trị của Rs và 6 Rr là khá lớn nhưng công suất Ps , Qs và từ thông 4 Ψdr , Ψqr như kết quả mô phỏng cho thấy sự thay 2 đổi so với lúc đầu chưa tăng hoặc giảm Rs và Rr 0 là không đáng kể và cả hai trường hợp điều khiển ids-ref va ids [A] -2 độc lập nhau được thể hiện ở hình 10a và 10b, -4 các sai số này có thể được coi là lý tưởng. -6  Khi tăng hoặc giảm 30% điện cảm Lm và Lr. -8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian [s] Hình 12a Đáp ứng dòng ids-ref và ids 6
7. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh So sanh dong iqs-ref va iqs [A] Nhận xét: 10 Ta thấy khi tăng T =0.7 thì cả hai trường 5 hợp Ps , Qs được điều khiển độc lập nhau được thể hiện ở hình 12c, các sai số này có thể được 0 coi là lý tưởng. Từ thông cả hai trường hợp Ψdr , Ψqr như kết quả mô phỏng cho thấy không thay -5 đổi nhiều so với lúc chưa có bộ lọc tuy đáp ứng iqs-ref iqs-ref va iqs [A] -10 có nhanh hơn và tính bền vững cao nhưng không đáng kể và cả hai trường hợp điều khiển độc lập -15 nhau được thể hiện ở hình 12d, các sai số này có thể được coi là lý tưởng. -20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tóm lại, khi tăng thời hằng của bộ lọc thời Thoi gian [s] gian đáp ứng của dòng ids và iqs tăng nhưng tính Hình 12b Đáp ứng dòng iqs-ref và iqs bền vững cao và khi giảm thời hằng của bộ lọc Nhận xét: thì thời gian đáp ứng của dòng ids và iqs giảm Xét sự ảnh hưởng của bộ lọc imc ta thấy nhưng tính bền vững thấp. rằng khi tăng T =0.7 thì sai số cả hai trường hợp ids và iqs là không đáng kể như kết quả mô phỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO cho thấy ids, iqs đáp ứng và bám giá trị đặt. Được [1] TS.Nguyễn Bách Phúc, Ks.Nguyễn Hữu thể hiện ở hình 12a và 12b, các sai số này có thể Bính, “Tổng quan về phát triển điện gió trên thế được coi là lý tưởng. Như vậy, hệ thống điều giới”, Viện Điện-Điện tử Tin học TP.HCM. khiển có tính bền vững cao khi tăng T. [2] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab&Simulink 4 x 10 Ps va Qs phia stator 1.5 dành cho kỹ sư điều khiển tự động”. NXBKH&KT-2006 1 [3] PGS.TS Lê Minh Phương, TS. Phan Quốc Dũng, “Simulink-power system blockset trong 0.5 phòng thí nghiệm truyền động điện”. [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước “ Lý 0 thuyết điều khiển mờ” NXB khoa học và kỹ thuật Ps và Qs [w, var] Hà Nội, 2002. -0.5 [5]. LVTh.S Nguyễn Trọng Thắng, “Điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ hai -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 phía”.ĐHSPKT-2010. Thoi gian [s] [6]. LVTh.S Tống Thị Hiếu “ Nghiên cứu hệ Hình 12c: Công suất Ps và Qs của hệ thống thống turbine gió sử dụng máy phát không đồng Tu thong rotor [wb] 1.5 bộ nguồn kép DFIG”. ĐHSPKT-2010. 1 [7] Control DFIG wind generators - By s. 0.5 müller, m. deicke, & rik w. de doncker. 0 -0.5 Họ và tên: Đặng Ngọc Toàn -1 1022- Nguyễn Trung Trực, Phường An Hòa, -1.5 Tu thong rotor [wb] Tu rotor thong Thành phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang. -2 SĐT: 0949973399. -2.5 -3 -3.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian [s] Hình 12d: Từ thông rotor Ψdr và Ψqr 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.