Luận văn Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô phỏng phương pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ DUY KHÁNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 9 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ DUY KHÁNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGUỒN KÉP (DFIG) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015
3. LÝ L ỊCH KHOA H ỌC I. LÝ L ỊCH S Ơ L ƯỢC: Họ & tên: Lê Duy Khánh Gi ới tính: Nam Ngày, tháng, n ăm sinh: 12-05-1986 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Hà T ĩnh Dân t ộc: Kinh Ch ỗ ở riêng ho ặc đị a ch ỉ liên l ạc: Khu Ph ố 4, Ph ường An Bình, Biên Hòa – Đồng Nai. Điện tho ại riêng: 0932.289.919 E-mail: leduykhanh1205@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO T ẠO: 1. Trung h ọc chuyên nghi ệp: Hệ đào t ạo: Ngh ề b ậc 3/7 Th ời gian đào t ạo t ừ 09/2004 đến 07/2006 Nơi học (tr ường, thành ph ố): Tr ường Công Nhân K ỹ Thu ật Đồ ng Nai Ngành h ọc: Điện Công Nghi ệp 2. Đại h ọc: Hệ đào t ạo: Chính Quy Th ời gian đào t ạo t ừ 09/2007 đến 07/ 2011 Nơi h ọc (tr ường, thành ph ố): Đại H ọc Sư Ph ạm K ỹ Thu ật TP.HCM Ngành h ọc: Điện Công Nghi ệp Tên đồ án, lu ận án ho ặc môn thi t ốt nghi ệp: Kh ảo Sát & Tính Toán Ki ểm Tra H ệ Th ống Cung C ấp Điện, Và H ướng Ti ết Ki ệm N ăng L ượng C ủa Công Ty CoCa – Cola Vi ệt Nam Ngày & n ơi b ảo v ệ đồ án, lu ận án ho ặc thi t ốt nghi ệp: Tr ường Đạ i H ọc Sư Ph ạm K ỹ Thu ật TP.HCM Ng ười h ướng d ẫn: Th.S Tr ần Tùng Giang III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN K Ể T Ừ KHI T ỐT NGHI ỆP ĐẠI H ỌC:
4. Th ời gian Nơi công tác Công vi ệc đảm nhi ệm Tr ường Cao Đẳng Ngh ề Vi ệt 9/2011 - 2012 Nam – Singapore, Thu ận An – Giáo viên hợp đồng Bình D ươ ng Tr ường Cao Đẳng Ngh ề Đồng 9/2012 đến nay Giáo viên hợp đồng Nai, Biên Hoà – Đồng Nai
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên c ứu c ủa tôi. Các s ố li ệu, k ết qu ả nêu trong lu ận v ăn là trung th ực và ch ưa t ừng được ai công b ố trong b ất k ỳ công trình nào khác. Tp. H ồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ h ọ tên)
6. LỜI C ẢM T Ạ Điều tr ước tiên, tôi xin t ỏ lòng bi ết ơn sâu s ắc đế n Th ầy PGS.TS Dươ ng Hoài Ngh ĩa, ng ười Th ầy đã t ận tình tr ực ti ếp h ướng d ẫn, cung c ấp nh ững tài li ệu vô cùng quí giá và dìu d ắt tôi th ực hi ện hoàn thành lu ận v ăn tốt nghi ệp này. Xin chân thành cám ơn đến t ất c ả Quí Th ầy, Cô đã gi ảng d ạy, trang bị cho tôi nh ững ki ến th ức r ất b ổ ích và quí báu trong su ốt quá trình h ọc tập c ũng nh ư nghiên c ứu sau này. Xin c ảm ơn Gia đình đã t ạo m ọi điều ki ện để tôi yên tâm h ọc t ập t ốt trong su ốt th ời gian v ừa qua. Xin c ảm ơn tất c ả b ạn bè thân thu ộc đã động viên, t ạo điều ki ện thu ận l ợi và h ỗ tr ợ cho tôi r ất nhi ều trong quá trình h ọc t ập, công tác c ũng như trong su ốt th ời gian th ực hi ện lu ận v ăn. TP.H ồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Ng ười th ực hi ện Lê Duy Khánh
7. TÓM T ẮT LU ẬN V ĂN Lu ận v ăn này trình bày các v ấn đề liên quan đến vi ệc mô hình hóa và xây d ựng gi ải thu ật điều khi ển máy phát điện gió ngu ồn kép sử dụng máy phát không đồng bộ ngu ồn kép (DFIG) được ứng d ụng trong các h ệ th ống chuy ển đổ i n ăng l ượng gió tốc độ thay đổ i. Máy phát điện gió ngu ồn kép được xem nh ư m ột đố i t ượng phi tuy ến và điều khi ển đố i t ượng này b ằng ph ươ ng pháp điều khi ển mô hình nội Mô hình toán h ọc máy phát điện gió ngu ồn kép được xây d ựng trong m ột h ệ tr ục tọa độ tham chi ếu dq thích h ợp, đị nh h ướng theo véct ơ điện áp l ưới để cho s ự phân lập gi ữa điều khi ển công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng bên phía stator máy phát. Với k ỹ thu ật đị nh h ướng h ệ tr ục t ọa độ tham chi ếu này, cho th ấy có th ể điều khi ển tiêu th ụ ho ặc phát công su ất ph ản kháng hoàn toàn độc l ập v ới điều khi ển các ch ế độ v ận hành công su ất th ực. Do stator DFIG được n ối tr ực ti ếp v ới l ưới điện và điện áp stator được c ố đị nh theo điện áp l ưới, nên m ục tiêu điều khi ển độ c l ập công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng bên phía stator DFIG máy phát được qui v ề mục tiêu điều khi ển độ c l ập hai thành ph ần tr ục d và q c ủa véct ơ dòng điện stator trong ch ế độ v ận hành bình th ường. Để điều khi ển dòng công su ất trao đổ i gi ữa stator máy phát và l ưới điện, m ột gi ải thu ật điều khi ển mô hình nội được thi ết l ập để điều khi ển độ c l ập hai thành ph ần của véct ơ dòng stator b ằng cách tác độ ng lên điện áp rotor. Sau cùng, mô ph ỏng được ti ến hành, k ết qu ả cho th ấy gi ải thu ật điều khi ển mô hình nội cho ch ất l ượng tốt ở các khía c ạnh được quan tâm nh ư đáp ứng ngõ ra bám r ất t ốt theo s ự thay đổ i nấc c ủa tín hi ệu đặ t, lu ật điều khi ển có tính b ền v ững cao trong điều ki ện có sai s ố mô hình.
8. MỤC L ỤC Ch ươ ng 1: T ỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan chung v ề lĩnh v ực nghiên c ứu, các k ết qu ả nghiên c ứu trong và ngoài nước đã công b ố 1 1.1.1 Tổng quan chung v ề lĩnh v ực nghiên c ứu 1 1.1.2 Các công trình liên quan 8 1.2. Tính c ần thi ết c ủa đề tài 12 1.3. Mục tiêu nghiên c ứu 12 1.4. Nhi ệm v ụ của đề tài và gi ới h ạn c ủa đề tài 12 1.5. Bố cục c ủa lu ận v ăn 13 Ch ươ ng 2: H Ệ TH ỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ S Ử DỤNG DFIG 14 2.1. Tổng quan v ề các ph ươ ng pháp điều khi ển máy phát không đồ ng b ộ ngu ồn kép . 14 2.1.1. Điều khi ển mô hình n ội IMC (Internal Model Control) 15 2.1.2. Các ph ươ ng pháp điều khi ển khác 16 2.2. Hệ th ống điều khi ển tuabin gió trang b ị DFIG 17 2.3. Vận hành công su ất tuabin gió 20 2.3.1. Vận hành công su ất c ực đạ i 21 2.3.2. Điều khi ển độ c l ập công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng 23 2.4. Sơ đồ t ươ ng đươ ng DFIG ở ch ế độ xác l ập 23 Ch ươ ng 3: MÔ HÌNH TOÁN H ỌC C ỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NGU ỒN KÉP (DFIG) 26 3.1. Mô hình Tuabin gió 26 3.1.1. Sự chuy ển đổ i n ăng l ượng gió và hi ệu su ất rotor 26 3.1.2. Điều khi ển tuabin gió 29 3.2. Mô hình toán h ọc c ủa máy phát không đồ ng b ộ ngu ồn kép (DFIG) 30 3.2.1. Mô hình toán h ọc c ủa DFIG bi ểu di ễn trong h ệ to ạ độ αβ 31 3.2.2. Mô hình toán h ọc c ủa DFIG bi ểu di ễn trong h ệ to ạ độ đồ ng b ộ dq 37 3.3. Bi ểu di ễn tr ạng thái c ủa h ệ th ống DFIG 41 3.4. Điều khi ển công su ất DFIG 43 3.4.1. Điều khi ển độ c l ập công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng phía stator 43
9. 3.4.2. Giá tri điều khi ển cho dòng điện stator (Reference value) 47 3.5. Sơ đồ mô ph ỏng DFIG trên Matlab/Simulink 47 Ch ươ ng 4: ĐIỀU KHI ỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG 53 4.1. Gi ới thi ệu 53 4.2. Nguyên lý điều khi ển mô hình n ội 53 4.2.1. Nguyên lý điều khi ển mô hình n ội 53 4.2.2. Mối liên h ệ gi ũa điều khi ển mô hình n ội và điều khi ển truy ền th ống 56 4.2.3. Ổn đị nh n ội 57 4.2.4. Ch ất l ượng điều khi ển danh đị nh 58 4.3. Thi ết kê h ệ th ống điều khi ển DFIG bằng ph ươ ng pháp mô hình n ội 60 Ch ươ ng 5: SƠ ĐỒ VÀ K ẾT QU Ả MÔ PH ỎNG 65 5.1. Sơ đồ mô ph ỏng 65 5.2. Kết qu ả mô ph ỏng 69 5.2.1. Kết qu ả mô ph ỏng ở ch ế độ danh định 70 5.2.2. Tính b ền v ững c ủa lu ật điều khi ển khi có sai s ố mô hình 80 5.2.2.1. Tr ường h ợp 1: Điện tr ở stator và rotor được gi ả thi ết t ăng l ần l ượt 20% và 30% so v ới giá tr ị danh định. 80 5.2.2.2. Tr ường h ợp 2: Điện tr ở stator và rotor được gi ả thi ết gi ảm l ần l ượt 20% so với giá tr ị danh định. 82 5.2.2.3. Tr ường h ợp 3: Điện c ảm t ản rotor và điện c ảm t ừ hoá gi ả thi ết t ăng lần l ượt 20% so v ới giá tr ị danh định. 83 5.2.2.4. Tr ường h ợp 4: Điện c ảm t ản stator và điện c ảm t ừ hoá gi ả thi ết gi ảm l ần l ượt 20% so v ới giá tr ị danh định. 84 5.2.2.5. Tr ường h ợp 5: Moment quán tính c ủa rotor được gi ả thi ết t ăng 20% so v ới giá tr ị danh định. 85 5.2.3. Ảnh h ưởng c ủa các thông s ố bộ lọc IMC 86 5.2.3.1. Tr ường hợp 1: T1 = T 2 = 0.3 86 5.2.3.2. Tr ường h ợp 2: T1 = T 2 = 0.05 87 5.2.3.3. Tr ường h ợp 2: T1 = 0.3 và T 2 = 0.05 88 5.2.4. So sánh k ết qu ả đạt được v ới ph ươ ng pháp thi ết k ế khác 89 Ch ươ ng 6: K ẾT LU ẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN ĐỀ TÀI 92 6.1. Kết lu ận 92 6.1.1. Các v ấn đề đã gi ải quy ết trong lu ận v ăn 92
10. 6.1.2. Các k ết lu ận v ề gi ải thu ật điều khi ển 92 6.2. Hướng phát tri ển đề tài 93 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO 1 PH Ụ L ỤC 6
11. CÁC T Ừ VI ẾT T ẮT Các t ừ vi ết t ắt DC Direct Current DFIG Doubly Fed Induction Generator DFIM Doubly Fed Induction Machine MPPT Maximum Power Point Tracking WECS Wind Energy Convertion System RSC Rotor Side Converter GSC Grid Side Converter IG Induction Generator SG Synchronuos Generator SMC Sliding Model Control IMC Internal Model Control VSC voltage source converter IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Ch ỉ số trên s, e Hệ tr ục t ọa độ tĩnh αβ và h ệ tr ục đồng b ộ dq ref , ∗ giá tr ị điều khi ển ho ặc giá tr ị đặt mea giá tr ị đo l ường
12. T chuy ển v ị của ma tr ận, véct ơ Ch ỉ số dưới n,b giá tr ị danh định, tr ị cơ b ản max , min maximum, minimum Ký hi ệu điện áp pha stator và rotor ; ; ; ; ; dòng điện stator và rotor ; ; ; ; ; từ thông stator và rotor ; ; ; ; ; điện áp stator và rotor theo tr ục α,β ; ; ; dòng stator và rotor theo tr ục α,β ; ; ; từ thông stator và rotor theo tr ục α,β ; ; ; điện áp stator và rotor theo tr ục d,q ; ; ; dòng stator và rotor theo tr ục d,q ; ; ; từ thông stator và rotor theo tr ục d,q ; ; ; điện áp l ưới và điện áp dc-link ; điện tr ở dây qu ấn stator và rotor ; điện c ảm t ản stator và rotor ; điện c ảm stator và rotor ; điện c ảm t ừ hóa tốc độ đồng b ộ và rotor [ elec.rad/s ] ;
13. vận t ốc góc c ơ h ọc c ủa rotor [ mach.rad/s ] s vận t ốc tr ượt và độ tr ượt tỷ số vòng dây stator và rotor góc v ị trí stator và rotor [ elec.rad ] ; mômen điện t ừ và mômen c ơ ; công su ất tác d ụng, ph ản kháng phía stator ; th ời h ằng stator và rotor ; σ; f hệ số tản t ổng và h ệ số ma sát [ N.m.s/rad ] p số cặp c ực t ừ J; H mômen quán tính và h ệ số quán tính rotor bán kính và di ện tích quét cánh qu ạt tuabin ; mật độ không khí và hi ệu su ất rotor ; λ; β Tip - speed - ratio và góc pitch
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ cố định 2 Hình 1.2: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi 3 Hình 1.3: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi s ử dụng máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép (DFIG) 4 Hình 1.4: Cấu trúc máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép 5 Hình 1.5: Mô hình b ộ điều khi ển phía l ưới 6 Hình 1.6: Chi ều dòng n ăng l ượng ch ạy qua DFIG 7 Hình 1.7: Ph ạm vi ho ạt động c ủa DFIG 8 Hình 2.1: Sơ đồ điều khi ển t ổng th ể tuabin gió t ốc độ thay đổi DFIG 18 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý điều khi ển t ối ưu λ 21 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều khi ển bám công su ất đỉnh 22 Hình 3.1: Góc pitch c ủa cánh qu ạt gió 27 Hình 3.2: Đường đặc tính C P(λ,β) 28 Hình 3.3: Công su ất đầu ra ph ụ thu ộc vào v ận t ốc gió và t ốc độ Tuabin 28 Hình 3.4: Đường cong công su ất lý t ưởng c ủa tubin gió (khi β = 0 độ ) 29 Hình 3.5: Sơ đồ mối liên h ệ gi ữa đại l ượng abc và αβ 31 Hình 3.6: Sơ đồ nối dây c ủa cu ộn dây stator và rotor hình Y-Y. 33 Hình 3.7: Sơ đồ tươ ng đươ ng R và L trong h ệ tr ục to ạ độ tự nhiên c ủa stator và rotor. 34 Hình 3.8: Mô hình lý t ưởng c ủa máy điện không đồng b ộ ba pha 35 Hình 3.9: Sơ đồ tươ ng đươ ng mô hình động c ủa DFIG trong h ệ to ạ độ tĩnh. 36 Hình 3.10: Mối liên h ệ gi ữa các đại l ượng trong h ệ tr ục to ạ độ αβ và dq 37 Hình 3.11: Tr ục c ủa dây qu ấn stator và rotor trong h ệ tr ục dq 38 Hình 3.12: Sơ đồ tươ ng đươ ng mô hình động c ủa DFIG trong h ệ to ạ độ đồng b ộ dq 40 Hình 3.13 Sơ đồ điều khi ển dòng công su ất trao đổi gi ữa stator DFIG và l ưới điện 44
15. Hình 3.14 Gi ản đồ véct ơ điện áp l ưới và véct ơ t ừ thông stator ở xác lập khi b ỏ qua điện tr ở stator 45 Hình 3.15: Sơ đồ mô ph ỏng DFIG 49 Hình 3.16: Các kh ối ch ức n ăng trong s ơ đồ mô ph ỏng DFIG 52 Hình 4.1: Cấu trúc điều khi ển mô hình n ội 54 Hình 4.2: Hệ th ống điêu khi ển dùng mô hình n ội 56 Hình 4.3: Hệ th ống điều khi ển truy ền th ống t ươ ng đươ ng 56 Hình 4.4: Hệ th ống điều khi ển mô hình n ội t ươ ng đươ ng 57 Hình 4.5: Sơ đồ kh ối để kh ảo sát ổn định n ội 57 Hình 4.6: Cấu trúc điều khi ển mô hình n ội 58 Hình 4.7: Cấu trúc điều khi ển mô hình n ội cho DFIG 60 Hình 4.8: Kh ối điều khi ển IMC 62 Hình 5.1: Sơ đồ điều khi ển độc l ập công su ất tác d ụng và ph ản kháng đầu c ực stator DFIG b ằng phươ ng pháp mô hình n ội 65 Hình 5.2: Các kh ối ch ức n ăng trong s ơ đồ điều khi ển DFIG 68 Hình 5.3 : Giá tr ị đặt cho Mômen c ơ h ọc cung c ấp vào tr ục rotor DFIG 71 Hình 5.4 : Giá tr ị đặt cho hai thành ph ần dòng stator và 72 Hình 5.5 : Công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng yêu cầu bên phía stator 73 Hình 5.6 : H ệ số công su ất cos φ 73 Hình 5.7: Đáp ứng à theo s ự thay đổi n ấc c ủa tín hi ệu đặt 74 Hình 5.8: Công su ất tác v d ụng và ph ản kháng đầu c ực stator DFIG 75 Hình 5.9: Thành ph ần t ừ thông và của rotor 76 Hình 5.10: Điện áp stator và rotor 77 Hình 5.11: Dòng điện stator và rotor 78 Hình 5.12: Hai thành ph ần tr ục d và q c ủa véct ơ điện áp rotor t ừ ngõ ra c ủa b ộ điều khi ển 79 Hình 5.13 : K ết qu ả mô ph ỏng khi điện tr ở stator và rotor t ăng l ần l ượt 20% và 30% so v ới giá tr ị danh định. 81 Hình 5.14 : Kết qu ả mô ph ỏng khi điện tr ở stator và rotor gi ảm l ần l ượt 20% so v ới giá tr ị danh định. 82
16. Hình 5.15: Kết qu ả mô ph ỏng khi điện c ảm t ản rotor và điện c ảm t ừ hoá t ăng l ần lượt 20% so v ới giá tr ị danh định. 83 Hình 5.16: Kết qu ả mô ph ỏng khi điện c ảm t ản stator và điện c ảm t ừ hoá gi ảm l ần lượt 20% so v ới giá tr ị danh định. 84 Hình 5.17: Kết qu ả mô ph ỏng khi Moment quán tính c ủa rotor t ăng 20% so v ới giá tr ị danh định. 85 Hình 5.18: Kết qu ả mô ph ỏng khi thay đổi th ời h ằng b ộ lọc IMC T1 = T 2 = 0.3. 87 Hình 5.19: Kết qu ả mô ph ỏng khi thay đổi th ời h ằng b ộ lọc IMC T1 = T 2 = 0.05. 88 Hình 5.20: Kết qu ả mô ph ỏng khi thay đổi th ời h ằng b ộ lọc IMC T1 = 0.3;T 2 = 0.05. 89 Hình 5.21: Đáp ứng à theo s ự thay đổi n ấc c ủa tín hi ệu đặt c ủa ph ươ ng pháp điều khi ển mô hình v n ộ i. 90 Hình 5.22: Đáp ứng à theo s ự thay đổi n ấc c ủa tín hi ệu đặt c ủa ph ươ ng pháp điều khi ển tr ượt [1]. v 90
17. Lu ận V ăn Th ạc S ĩ Ch ươ ng 1: T ổng Quan Chươ ng 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung v ề lĩnh v ực nghiên c ứu, các k ết qu ả nghiên c ứu trong và ngoài n ước đã công b ố 1.1.1 Tổng quan chung v ề lĩnh v ực nghiên c ứu Các h ệ th ống bi ến đổ i n ăng l ượng gió hi ện nay thường có xu h ướng s ử d ụng máy điện không đồ ng b ộ ngu ồn kép g ắn v ới các tuabin làm máy phát điện để gi ảm giá thành do các b ộ bi ến đổ i được đặ t ở phía rotor ch ỉ làm vi ệc v ới kho ảng 1/3 công su ất t ổng c ủa h ệ th ống máy phát. Đồ ng th ời, do kh ả n ăng có th ể làm việc trong m ột kho ảng thay đổ i t ốc độ r ộng, các h ệ th ống phát điện s ức gió s ử d ụng máy điện không đồng b ộ ngu ồn kép có hi ệu su ất bi ến đổ i n ăng l ượng cao h ơn so v ới vi ệc s ử dụng các máy phát đồ ng b ộ kích t ừ v ĩnh c ửu v ới b ộ bi ến đổ i đặ t ở phía stator. Các h ệ th ống cung c ấp và truy ền t ải điện ngày càng có yêu c ầu kh ắt khe h ơn v ề ch ất l ượng ngu ồn điện. Vì v ậy, các thi ết b ị phát điện đấ u n ối v ới l ưới, trong đó có các h ệ th ống máy phát điện s ức gió c ũng ph ải đả m b ảo các yêu c ầu ch ất l ượng đề ra. Đă c bi ệt, khi h ệ thống phân ph ối b ị s ự c ố s ập l ưới thì các h ệ th ống máy phát này không được phép c ắt kh ỏi l ưới m ột cách không có ki ểm soát vì có th ể làm cho s ự c ố trên l ưới càng tr ầm tr ọng thêm và vi ệc khôi ph ục l ưới sau s ự c ố c ũng s ẽ tr ở nên khó kh ăn h ơn. Không nh ững v ậy, hệ th ống điều khi ển phía l ưới trong h ệ th ống máy phát điện gió hi ện đạ i còn yêu c ầu ph ải có kh ả n ăng h ỗ tr ợ l ưới trong su ốt quá trình s ự cố, k ể c ả s ự c ố l ưới đố i x ứng và l ưới không đố i x ứng. 1.1.1.1. Các mô hình h ệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió. Tuabin gió có th ể vận hành ở t ốc độ c ố đị nh (thông th ường trong ph ạm vi thay đổi 1% so v ới t ốc độ đồ ng b ộ) ho ặc t ốc độ thay đổ i. Đố i v ới tuabin gió t ốc độ c ố định, h ệ th ống máy phát được n ối tr ực ti ếp v ới l ưới điện, do t ốc độ làm vi ệc được GVHD: PGS.TS D ươ ng Hoài Ngh ĩa 1 HVTH: Lê Duy Khánh
18. Lu ận V ăn Th ạc S ĩ Ch ươ ng 1: T ổng Quan cố đị nh theo t ần s ố l ưới điện nên hầu nh ư không th ể điều khi ển và do đó không có kh ả n ăng h ấp thu công su ất khi có s ự dao độ ng t ốc độ gió. Vì v ậy, đố i v ới h ệ th ống tuabin gió t ốc độ c ố đị nh khi t ốc độ gió có s ự dao độ ng s ẽ gây nên s ự dao độ ng công su ất và làm ảnh h ưởng đế n ch ất l ượng điện n ăng c ủa l ưới điện. Đố i v ới tuabin gió t ốc độ thay đổ i, v ận t ốc máy phát được điều khi ển b ởi thi ết b ị điện t ử công su ất, theo cách này s ự dao độ ng công su ất do s ự thay đổ i t ốc độ gió có th ể được h ấp thu bằng cách hi ệu ch ỉnh t ốc độ làm vi ệc c ủa rotor và sự dao độ ng công su ất gây nên bởi h ệ th ống chuy ển đổ i n ăng l ượng gió vì th ế có th ể được h ạn ch ế. Nh ư v ậy, ch ất lượng điện n ăng do b ị ảnh h ưởng b ởi tuabin gió có th ể được c ải thi ện h ơn so v ới tuabin gió t ốc độ c ố đị nh. Vì t ốc độ quay c ủa tuabin gió khá th ấp nên c ần được điều ch ỉnh theo t ần s ố điện, điều này có th ể được th ực hi ện theo hai cách; s ử d ụng h ộp s ố ho ặc thay đổ i s ố c ặp cực t ừ c ủa máy phát. S ố c ặp c ực t ừ thi ết l ập v ận t ốc c ủa máy phát theo t ần s ố l ưới điện và h ộp s ố điều ch ỉnh t ốc độ quay c ủa tuabin theo v ận t ốc máy phát. a. Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ cố định Đối v ới tuabin gió t ốc độ cố định, máy phát không đồng b ộ rotor l ồng sóc được kết n ối tr ực ti ếp v ới l ưới điện nh ư hình 1.1. Hình 1.1: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ cố định GVHD: PGS.TS D ươ ng Hoài Ngh ĩa 2 HVTH: Lê Duy Khánh
19. Lu ận V ăn Th ạc S ĩ Ch ươ ng 1: T ổng Quan Mặc dù có c ấu t ạo đơ n gi ản, v ững ch ắc và độ tin c ậy cao, nh ưng mô hình này l ại có nh ững nh ược điểm nh ư sau: không th ể điều khi ển công su ất t ối ưu, do t ốc độ rotor được gi ữ cố định nên ứng l ực tác động lên h ệ th ống l ớn khi t ốc độ thay đổi đột ng ột, do t ần số và điện áp stator c ố định theo t ần s ố và điện áp l ưới nên không có kh ả năng điều khi ển tích c ực (Active control). b. Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi Hệ th ống này được trang b ị một b ộ bi ến đổi công su ất đặt gi ữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có th ể là máy phát không đồng b ộ (IG) ho ặc máy phát đồng b ộ (SG) nh ư hình 1.2 . V ới c ấu hình này, có th ể điều khi ển t ối ưu công su ất nh ận được từ gió, nh ưng do ph ải bi ến đổi toàn b ộ công su ất phát ra nên t ổn hao l ớn c ũng nh ư chi phí đầu t ư cho b ộ bi ến đổi công su ất t ăng lên. Hình 1.2: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi c. Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi s ử dụng máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép (DFIG). Máy phát không đồng b ộ rotor dây qu ấn, còn được g ọi là máy phát không đồng bộ ngu ồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG). DFIG có stator nối tr ực ti ếp vào l ưới, còn phía rotor được n ối v ới l ưới qua thi ết b ị điều khi ển nh ư hình 1.3. GVHD: PGS.TS D ươ ng Hoài Ngh ĩa 3 HVTH: Lê Duy Khánh
20. Lu ận V ăn Th ạc S ĩ Ch ươ ng 1: T ổng Quan Hình 1.3: Hệ th ống bi ến đổi n ăng l ượng gió t ốc độ thay đổi s ử dụng máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép (DFIG) 1.1.1.2. Máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép (Doubly Fed Induction Generator) a. Cấu trúc của hệ th ống bi ến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép Trong h ệ th ống chuy ển đổi n ăng l ượng s ử dụng DFIG thì stator c ủa DFIG được kết n ối tr ực ti ếp v ới l ưới điện và m ạch rotor n ối v ới b ộ bi ến đổi công su ất thông qua vành tr ượt. B ộ bi ến đổi công su ất g ồm hai converter; converter phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) và converter phía l ưới GSC (Grid Side Converter), được k ết nối theo ki ểu “back-to-back”. M ột t ụ điện DC link được đặt ở gi ữa đóng vai trò tích tr ữ năng l ượng. Thi ết b ị crowbar được trang b ị ở đầu c ực rotor để bảo v ệ quá dòng và tránh quá điện áp trong m ạch DC-link. Khi x ảy ra tình tr ạng quá dòng thi ết b ị crowbar s ẽ ng ắn m ạch đầu c ực rotor thông qua điện tr ở crowbar, làm ng ưng ho ạt động c ủa b ộ GVHD: PGS.TS D ươ ng Hoài Ngh ĩa 4 HVTH: Lê Duy Khánh
21. Lu ận V ăn Th ạc S ĩ Ch ươ ng 1: T ổng Quan điều khi ển converter và cho phép DFIG làm vi ệc nh ư m ột máy phát điện không đồng b ộ thông th ường, lúc này là tiêu th ụ công su ất t ừ lưới. Hình 1.4: Cấu trúc máy phát không đồng b ộ ngu ồn kép Trong th ực t ế, điện áp định m ức c ủa rotor th ường nh ỏ hơn điện áp định m ức bên phía m ạch stator, nên máy bi ến áp n ối gi ữa DFIG và l ưới điện s ẽ có ba cu ộn dây, một cu ộn s ơ c ấp n ối t ới m ạch stator và cu ộn s ơ c ấp còn l ại n ối v ới m ạch rotor. Bộ converter phía máy phát RSC có các ưu điểm sau: • Kh ả năng điều khi ển công su ất ph ản kháng: DFIG có kh ả năng tiêu th ụ ho ặc phát công su ất ph ản kháng v ề lưới và kh ả năng t ự điều ch ỉnh điện áp trong tr ường h ợp l ưới y ếu. • Có kh ả năng hoàn toàn t ự kích t ừ DFIG thông qua m ạch rotor, độc l ập v ới điện áp l ưới. • Kh ả năng điều khi ển độc l ập công su ất tác d ụng và công su ất ph ản kháng. Bộ converter phía máy phát RSC còn điều khi ển mômen, t ốc độ máy phát và điều khi ển h ệ số công su ất đầu c ực stator. GVHD: PGS.TS D ươ ng Hoài Ngh ĩa 5 HVTH: Lê Duy Khánh
22. S K L 0 0 2 1 5 4