Phân tích mô phỏng máy phát điện turbine gió sử dụng toolbox wind turbine blockset

Nội dung text: Phân tích mô phỏng máy phát điện turbine gió sử dụng toolbox wind turbine blockset

1. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ SỬ DỤNG TOOLBOX WIND TURBINE BLOCKSET Bùi Văn Trí Học viên cao học khóa 1, Ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện. Cơ quan công tác: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM Email: buivantri2000@yahoo.com BẢN TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp kết nối máy phát điện turbine gió dùng máy phát cảm ứng cung cấp điện 2 chiều. Mô hình mô phỏng được thực hiện trong Matlab/Simulink với toolbox mới “ Wind Turbine blockset” để mô phỏng turbine gió với hai loại turbine: Động cơ cảm ứng tốc độ gió không đổi (fixed-speed wind turbines) và loại tốc độ gió thay đổi (variable-speed wind turbines). Bài viết phân tích mô phỏng khởi động máy phát cảm ứng dùng bộ khởi động mềm (soft-start) có dạng sóng tốt hơn so với khởi động trực tiếp. Đồng thời phân tích công suất phản kháng và công suất tác dụng nằm trong giới hạn cho phép khi tốc độ gió thay đổi. 1. GIỚI THIỆU Thông thường người ta dùng máy phát cảm Bài báo trình bày hai phương pháp kết nối ứng cấp điện hai chiều để làm máy phát. Hệ máy phát điện turbine gió, phương pháp kết thống máy phát chạy bằng sức gió dùng máy nối kiểu một chiều và kết nối kiểu xoay chiều. điện không đồng bộ rotor dây quấn (Doubly- Mô hình mô phỏng được thực hiện trong fed induction generator - DFIG) có thể điều Matlab/Simulink với toolbox Wind Turbine khiển máy phát từ Rotor, cho phép giảm đáng blockset để mô phỏng turbine gió với hai loại kể công suất và giá thành thiết bị điều khiển. turbine: Thứ nhất động cơ cảm ứng tốc độ gió Đây là kiểu kết nối thông qua bộ chuyển đổi không đổi, là loại mà tốc độ của rotor không dc được dùng với turbine gió có tốc độ thay phụ thuộc tốc độ gió vì hệ thống được thiết kế đổi. Sơ đồ kết nối minh họa hình 1. [10] thay đổi góc pitch và bộ truyền động. Thứ hai là động cơ tốc độ gió thay đổi, là loại tốc độ rotor thay đổi theo tốc độ gió. 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT NỐI 2.1 kết nối máy điện cảm ứng cấp điện 2 chiều (Double Fed Induction Generator) Nhờ có khả năng cung cấp điện áp đồng Hình 1: sơ đồ kết nối máy phát thời cả hai phía stator và rotor, máy điện không đồng bộ cấp điện hai chiều (DFIG) được Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng sử dụng nhiều trong các ứng dụng truyền động năng lượng qua máy phát có thể được mô tả có điều khiển tốc độ trong phạm vi hẹp. [2] một trong hai trường hợp sau: - 1 -
2. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió Gió thổi cánh quạt quay ứng với tần số thấp hơn tần số của lưới điện: Đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ, và máy điện lấy năng lượng từ lưới qua rotor. Gió thổi cánh quạt quay ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện: Đó là chế độ vận hành trên đồng bộ, và máy điện đưa năng lượng đến lưới qua rotor. Hình 3: Mô hình tương đương máy phát 2.2 kết nối máy điện cảm ứng rotor lồng sóc Máy điện cảm ứng cấp điện 2 chiều với bộ khởi động soft-starter (DFIG) được mô tả bởi các phương trình trên hệ tọa độ dựa theo hướng của vector điện áp Kiểu này kết nối theo xoay chiều dùng lưới u sau đây: cho máy phát turbine gió tốc độ không đổi. N Khởi động 3 pha xoay chiều phụ thuộc vào các d s us RS I S js s kiểu kết nối tải cảm. Sơ đồ kết nối hình 2. dt 3.1 [11],[3] d u R I r j  r r r dt r r Sau khi hòa đồng bộ, stator của máy phát được nối với lưới vì vậy: d u u s u j  3.2 N s dt N s s Hình 2: Mô hình kết nối bộ soft-starter Vector điện áp lưới và vector từ thông stator của máy phát luôn vuông góc nhau để thuận Trong sơ đồ turbine được kết nối với hộp tiện cho việc mô hình hóa. Vì vậy, từ phương số và máy phát mà thông qua mạch điện nối trình 2.1 ta suy ra phương trình từ thông: đến lưới. Một hệ thống điều khiển cho các chế độ hoạt động của mô hình bao gồm: soft-  s is Ls ir Lm starter, bộ tụ bù, và máy biến áp. Tụ bù dùng  r is Lm ir Lr 3.3 để điều khiển hệ số công suất máy phát. Bộ T 3n Im i*  soft-starter dùng khởi động máy phát để giới e p s r hạn dòng điện và moment khởi động hộp số. us: điện áp stator ur: điện áp rotor 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC s : từ thông stator r : từ thông rotor is : dòng điện stator ir : dòng điện rotor 3.1 Mô hình máy điện cảm ứng DFIG Te: Moment Mô hình đầy đủ trên hệ tọa độ  bao gồm các phương trình: Phương trình từ thông:  r Lmis Lr ir 3.4  r Lmis Lr ir - 2 -
3. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió Phương trình moment: 3 Lm mM z p  r is  r is 3.5 2 Lr Phương trình chuyển động: j d mM mT 3.6 z p dt 3.2 Mô hình b ộ biến đổi công suất Có nhiều mô hình của soft-starter cung cấp cho máy điện. Tuy nhiên, có 2 mô hình nối sao và tam giác được quan tâm ứng dụng turbine gió như hình 4 và hình 5. [6],[7] Điện áp pha tại đầu cực máy phát được xác định theo công thức dưới đây. Mô hình kết nối sao và tam giác có cùng sơ đồ đóng ngắt các SCR, sự khác biệt là cách nối dây. Có hai SCR mắc song song cho mỗi pha, mỗi SCR dẫn trong một bán kỳ dương. Điện áp mỗi pha phụ thuộc vào trạng thái mở của SCR trong mỗi pha. Vì thế, Bộ soft-starter có thể chỉ Hình 4: Mô hình soft-starter nối sao hoạt động khi 2 hoặc 3 SCR dẫn trong cùng Điện áp pha tại đầu cực máy phát được xác lúc. định theo công thức dưới đây. Tùy thuộc vào góc α của bộ soft-starter , ba chế độ hoạt động khác nhau: - Chế độ 1: 0 <= α < 600 Khi 2 hoặc 3 SCR dẫn - Chế độ 2: 600 <= α < 900 Khi 2 SCR dẫn - Chế độ 3: 900 <= α < 1500 Khi không hoặc 2 SCR dẫn. Các chế độ hoạt động phụ thuộc vào góc ngắt ξ và góc giới hạn αlim, cả hai lại phụ thuộc vào góc φ. Trong chế độ 2, dòng điện ngõ ra thay đổi nhanh, không thể phát tải cảm. Phạm vi hoạt động của hai chế độ còn lại như sau: - Chế độ 1: φ <= α < αlim - 3 - Hình 5: Mô hình soft-starter nối tam giác
4. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió 0 - Chế độ 3: αlim <= α < 150 Góc giới hạn có thể được xác định từ công thức: 3.32 Các công tắc SWA, SWB, SWC trong mô hình có hai mức: bằng mức1 khi SCR dẫn và mức 0 khi ngắt như hình 6, hoạt động của nó được xác định dựa vào điện áp pha và dòng điện pha. Hình 8: Mô hình khởi động dùng soft-starter Dạng sóng moment khởi động và tốc độ quay dùng khối soft-starter được minh họa hình 9. Hình 6: Sơ đồ tương đương SCR và công tắc 4. MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ 4.1 Khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi Khởi động trực tiếp cho máy điện cảm ứng lồng sóc soft-starter. Máy điện cảm ứng có công suất định mức 2MW, Sơ đồ nguyên lý minh họa hình 7 và được mô hình trong toolbox wind turbine blockset như hình 8. [6] Hình 9: Moment điện từ và tốc độ quay khởi động dùng soft-starter 4.2 Turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi của động cơ cảm ứng cấp điện hai chiều Sơ đồ mô phỏng được trình bày như hình.10. Nguyên lý hoạt động của hệ thống là công suất gió từ khối wind model làm quay trục của turbine, đồng thời cung cấp cho khối điều khiển tối ưu (optimal control) để điều khiển cánh quạt. Công suất ra của turbine Hình 7: Sơ đồ khởi động máy điện cảm ứng truyền vào bộ truyền động vào kết nối với rotor của máy phát. Khối điều khiển công suất - 4 -
5. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió P&Q (Control P&Q double- fed) nhận tín hiệu đầu vào dòng stator, dòng rotor, điện áp, vận tốc góc, và công suất từ bộ tối ưu để cho ra 5. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG điện áp rotor điều khiển máy phát cảm ứng. 5.1 Phân tích khởi động turbine gió có tốc kết quả mô phỏng công suất phản kháng và độ không đổi công suất tác dụng của mạch rotor và stator Khi máy điện cảm ứng kết nối trực tiếp với được minh họa hình.11. [6],[7] lưới điện thì giá trị moment khởi động lớn được lưu lại như sóng hài bậc cao, và sự dao động trục quay cũng biến đổi liên tục, và chỉ ổn định sau thời gian khởi động, điều này minh họa hình 12. Hình 10: Mô hình mô phỏng máy phát cấp điện hai chiều Hình 12: Moment điện từ và tốc độ quay khởi động trực tiếp Khi máy điện cảm ứng kết nối thông qua bộ soft-starter thì dạng sóng moment được giới hạn, không ảnh hưởng bởi sóng hài. Dạng sóng tốc độ quay thì bằng phẳng hơn và không có sự dao động mạnh như khởi động trực tiếp, điều này minh họa hình 9. [7]. 5.2 Phân tích điều khiển công suất của máy phát turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi Khối điều khiển tối ưu phụ thuộc góc pitch và công suất, đặc tính điều khiển tối ưu trong phạm vi góc pitch β, hệ số tốc độ đầu mút λ hệ số công suất Cp và công suất P tối ưu. Đường đặc tính được minh họa hình 13 và hình 14. [7],[9] Hình 11 : Công suất phản kháng và tác dụng khi tốc độ gió thay đổi - 5 -
6. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió Chế độ 2: là đường đặc tính đáp ứng giá trị tốc độ gió và công suất lớn hơn giá trị định mức. Tuy nhiên, giá trị công suất thấp hơn công suất định mức, góc β vẫn giữ ở giá trị 0 để tối ưu khả năng nhận gió của turbine, trong khi đó hệ số tốc độ đầu mút giảm dần. Trong chế độ này turbine được giữ cho tốc độ không đổi ở giá trị định mức. Chế độ 3: là đường đặc tính đáp ứng giá trị tốc độ gió lớn hơn tốc độ định mức. Ở đây tốc độ gió được duy trì, công suất phát được giới hạn có giá trị tối đa nhờ vào sự thay đổi của góc pitch. Hình 13: Đặc tính điều khiển tối ưu góc pitch Kết quả mô phỏng công suất tác dụng và và hệ số tốc độ đầu mút phản kháng trong cả hai mạch stator và rotor khi tốc độ gió thay đổi được mô minh họa hình.11. Tốc độ trung bình của gió là 10m/s, bộ điều khiển PI điều khiển dòng rotor. Tốc độ đồng bộ của máy điện được xem xét ở tốc độ định mức, trong khi công suất định mức của máy điện được tính dựa vào công suất phản kháng và công suất tác dụng. Quan sát hình ta thấy công suất được giới hạn ở giá trị định mức trong khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức. Giá trị so lệch của công suất phản kháng đo được và tham khảo luôn bằng 0 trong suốt quá trình mô phỏng. Ở đây tốc độ gió được lấy mẫu là 0.05s, giải thuật Hình 14: Đặc tính điều khiển tối ưu hệ số điều khiển là dựa vào giá trị so lệch của công công suất Cp và công suất P suất tác dụng tham chuẩn và giá trị đo được. Đề xuất: Trong hệ thống thực do vấn đề Có 3 chế độ hoạt động trong đặc tính điều đáp ứng phức tạp nên tốc độ gió đòi hỏi thời khiển tối ưu là: gian lấy mẫu lớn hơn, và tính toán tốc độ gió Chế độ 1: là đường đặc tính đáp ứng giá trị trung bình trong thới gian một phút, như vậy tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ định mức. Để hiệu đáp ứng ngõ ra sẽ theo chu kỳ 1 phút tương suất đạt kết quả tốt nhất thì hệ số tốc độ đầu ứng. Để có được giá trị tốc độ gió tham chuẩn mút và góc pitch được giữ cố định, đây là giá bằng phẳng hơn, đáp ứng công suất ngõ ra thay trị giới hạn dưới để đáp ứng cho hệ thống. Hệ đổi nhanh hơn thì cần phải loại bỏ khối đo số công suất Cp đạt giá trị lớn nhất trong trung bình tốc độ gió và nghiên cứu thực hiện trường hợp này, tức là phải thiết kế để hệ mô hình động với phương pháp điều khiển thống đáp ứng ở tốc độ gió thấp. vòng theo tín hiệu tức thời bằng các phương pháp điều khiển thông minh. - 6 -
7. Phân tích và mô phỏng máy phát điện turbine gió 6. KẾT LUẬN Conference, 1-2 march, 2004, Chalmers university of Technology. Nội dung của bài báo này trình bày về hệ [6]. Florin Iov, Anca Daniela Hansen, Poul kết nối thống và điều khiển máy phát điện Sorensen, Frede Blaabjerg, Wind Turbine turbine gió, và dùng công cụ Matlab để mô Blockset in Matlab/Simulink, General phỏng máy phát điện turbine gió khi tốc độ gió Overview and Description of the thay đổi. Models, Aalborg University, March 2004. [7]. Andreas Petersson, Analysis, Modeling Sử dụng công cụ toolbox wind turbine and Control of Doubly-Fed Induction blockset để phân tích mô phỏng đáp ứng ngõ Generators for Wind Turbines, ra của máy phát điện turbine gió. Thứ nhất là Division of Electric Power Engineering, khởi động máy phát cảm ứng dùng bộ soft- Department of Energy and Environment, Chalmers university of Technology, starter để làm giảm dòng điện khởi động và Goteborg, Sweden 2005. moment nằm trong giới hạn. Thứ hai là Dùng [8]. European Wind Energy Assosiasion phương pháp điều khiển tối ưu hoá đặc tuyến EWEA (2003), Wind Power Installed in quan hệ góc pitch và hệ số đầu mút, đặc tuyến The EU at The End of 2003. quan hệ công suất và hệ số công suất. Kết quả mô phỏng cho thấy dạng sóng công suất tác [9]. Florin Iov, Anca Daniela Hansen, Poul dụng và công suất phản kháng stator và rotor Sorensen, Frede Blaabjerg, A New Matlab ổn định trong giới hạn cho phép khi tốc độ gió / Sumulink Toolbox for Wind Turbine Applications, Proceed. Of Matlab thay đổi. Nordic Conference, 21-22 October 2003, Copenhagen, Denmark,pp.19-24, ISBN 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 87-989426-0-3. [1]. Olof Martander, DC Grid for Wind Farm, [10]. S.Muller, M. Deicke, R.W. De Doncker. Department of Electric Power Engineering – Doubly-Fed Induction Generator Chalmers University of Technology – System . IEEE Industry Application Gưteborg, Sweden – 2002. Magazine, May/June 2002, pp.26-33. [2]. VTT Seminar on Intelligent Products and [11]. H.Slootweg,E.DeVries, Inside Wind Systems, Simulation Based Design of an Turbine. Fixed Speed vs. varible Speed, Intelligent Wind Turbine, VTT Main Journal of Renewable Energy World, buiding 12-8-2003. Vol.6,No.1, January/February 2003. [3]. TomአPetrŮ , Modeling of Wind Turbinfor Power System Studies Department of Electric Power Engineering – Chalmers University of Technology – Gưteborg, Sweden – 2003. [4]. Florin Iov, Anca Daniela Hansen, Clemens Jauch, Poul Sorensen, Advanced Tools for Modeling, Design and Optimization of Wind Turbine Systems, Nordic Wind Power Conference, 1-2 march, 2004, [5]. Sanna Uski, Bettina Lemstrom, Juha Kiviluoma, Simo Rissanen and Petteri Antikainen. Adjoint Wind Turbine Modeling With ADAMS, Simulink and PSCAD/EMTDC, Nordic Wind Power - 7 -
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ 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 cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ 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.