Tóm tắt Luận văn Nâng cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy

Nội dung text: Tóm tắt Luận văn Nâng cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN TRỌNG THẮNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN ĐỒNG TRỤC TRÊN TẦU THỦY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI- 2014
2. Luận án được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại: vào hồi giờ ngày tháng năm 2014.
3. 1 MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Luận án đi sâu nghiên cứu hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép, để đưa ra giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất điện năng, góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm chi phí vận hành trên tầu thủy. Nội dung của luận án được chia được chia làm 4 chương, 113 trang (kể cả tài liệu tham khảo), 97 tài liệu tham khảo, 54 hình vẽ và đồ thị. Lý do chọn đề tài Khi đi trên biển, trong môi trường ổn định về khí hậu và thời tiết, các động cơ chính lai chân vịt tầu thủy thường khai thác không hết công suất, để tận dụng sự dư thừa công suất này, các tầu trọng tải lớn thường được thiết kế có các máy phát điện đồng trục cùng làm việc với các cụm diesel–máy phát. Tuy nhiên, một trong những vấn đề kỹ thuật phức tạp nhất là việc ổn định tần số và ổn định điện áp của máy phát đồng trục khi tốc độ quay của máy chính thay đổi trong giới hạn rộng, một giải pháp kỹ thuật hiệu quả là sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép làm việc ở chế độ máy phát. Máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát đồng trục có ưu điểm rất nổi bật là stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất, nên công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn rất nhiều công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Từ những lý do trên tác giả chọn đề tài: “Nâng cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy” để thực hiện luận án của mình. Mục đích nghiên cứu Việc áp dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ phát điện đồng trục trên tầu thủy phải đảm bảo được 2 chế độ công tác: 1. Làm việc song song được với lưới “mềm” tầu thủy, 2. Làm việc độc lập khi cần thiết. Trong luận án tác giả đi sâu vào khả năng làm việc song song với lưới điện tầu thủy bằng đề xuất một cấu trúc mới với hệ điều khiển đơn giản, chất lượng cao, khả năng bám lưới “mềm” bền vững. Cũng trong luận án, tác giả cũng nghiên cứu khảo sát mối liên hệ giữa các thành phần công suất, từ đó xác định được tỉ lệ truyền của hộp số của máy phát đồng trục để hiệu suất chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng cao nhất. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm: - Máy điện dị bộ nguồn kép.
4. 2 - Cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát đồng trục. Phạm vi nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu máy phát đồng trục làm việc trong chế độ hòa với lưới điện “mềm” trên tầu thủy. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học là đã đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép làm chức năng máy phát điện đồng trục trên tầu thủy, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát đồng trục trên tầu thủy. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành trên tầu thủy. Những đóng góp của luận án - Luận án đề xuất cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép ở máy phát đồng trục trên tàu thủy trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. - Luận án đã đơn giản hóa được cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát điện đồng trục. - Nâng cao khả năng bám điện áp lưới “mềm” trên tầu thủy của máy phát đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong điều kiện tốc độ máy chính bị thay đổi. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN ĐỒNG TRỤC TRÊN TẦU THỦY SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Khái quát hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phát điện trên tầu thủy có sử dụng máy phát điện đồng trục Các ký hiệu trong hình 1.1 như sau: 1.Chân vịt; 2. Máy phát đồng trục; 3. Hộp số; 4. Máy chính; 5. Bộ điều khiển công suất máy phát đồng trục; 6.Tủ phân phối điện; 7.Tổ hợp máy phát điện diesel. 1.2 Các hệ thống phát điện đồng trục trong thực tế 1.2.1 Các cách bố trí máy phát đồng trục để lấy cơ năng từ máy chính Các máy phát đồng trục được bố trí bằng nhiều cách khác nhau để lấy cơ năng từ máy chính. Mỗi cách bố trí đều có các ưu và nhược điểm của riêng của nó, cụ thể có các cách bố trí như sau [5][12]:
5. 3 - Máy phát đồng trục là một phần của trục chân vịt. - Máy phát đồng trục được đặt đối diện với chân vịt qua máy chính. - Máy phát đồng trục được truyền động qua hộp số cùng phía chân. - Máy phát đồng trục được truyền động qua hộp số phía đối diện với chân vịt. - Máy phát đồng trục lắp đặt ngay trên diesel của máy chính. - Máy phát đồng trục được truyền động qua hộp số ngược với chân vịt ngay cạnh máy chính. 1.2.2 Các cấu trúc phần điện của máy phát đồng trục Qua nhiều giai đoạn, cấu trúc phần điện của máy phát đồng trục rất đa dạng, cụ thể có các cấu trúc như sau: - Máy phát đồng trục là hệ 3 máy điện gồm: máy phát một chiều, động cơ một chiêu, máy phát đồng bộ 3 pha. - Máy phát đồng trục là máy phát điện đồng bộ. - Máy phát đồng trục với bộ ổn định tần số thông qua ổn định tốc độ động cơ một chiều. - Hệ thống phát điện đồng trục với bộ ổn định tần số cho máy phát thông qua ổn định tốc độ động cơ xoay chiều. - Máy phát đồng trục với bộ ổn định tần số. - Hệ thống phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép. Hệ thống này có ưu điểm nổi bật là công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn nhiều công suất máy phát, hệ thống có kích thước nhỏ gọn, phạm vi hoạt động rộng, tần số điện áp phát ra không đổi trong khi tốc độ rotor thay đổi 1.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển máy phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép Bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới và cụm nghịch lưu phía máy phát, hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một chiều trung gian. Hình 1.11: Cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát điện đồng trục
6. 4 1.4 Tổng hợp các kết quả nghiên, ứng dụng DFIG trong hệ thống phát điện Hiện tại, cấu trúc phát điện sử dụng DFIG chiếm gần 50% thị trường phát điện sức gió [48], với dải công suất từ 1.5MW đến 3MW, gồm 93 model của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới [71]. Có rất nhiều công trình trong nước và quốc tế nghiên cứu về điều khiển DFIG, sau đây là một số cấu trúc điều khiển DFIG điển hình. 1.4.1 Cấu trúc điều khiển tĩnh Scherbius Hai hệ thống đầu tiên sử dụng cấu trúc Scherbius là: 1. Hệ thống tĩnh Kramer[23][46][85][91]; 2. Hệ thống với bộ biến biến tần trực tiếp được nối giữa rotor và stator. 1.4.2 Điều khiển vector không gian Một số công trình trong nước và quốc tế nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở vector không gian cho máy phát điện tàu thủy là [1][2][6][27], Ngoài ra, còn có rất nhiều các công trình liên quan hay có sự tương đồng là các công trình nghiên cứu ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép vào hệ thống phát điện sức gió. 1.4.3 Điều khiển trực tiếp momen (direct torque control-DTC) Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao [14][15][18][22][73][74][90]. Hãng ABB đã phát triển bộ biến đổi công suất điều khiển DFIG bằng phương pháp này [92]. 1.4.4 Điều khiển trực tiếp công suất (direct power control-DPC) Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất có kết cấu phần cứng tương tự như phương pháp DTC, nó có điểm khác là nghiên cứu ảnh hưởng của từ thông stator và rotor tới công suất tác dụng và công suất phản kháng của stator DFIG phát lên lưới [13][79][85][90]. 1.4.5 Cấu trúc điều khiển DFIG không cảm biến Có một vài phương pháp điều khiển DFIG không cảm biến: - Phương pháp điều khiển DFIG không cảm biến trên cơ sở quan sát thích nghi theo mô hình mẫu [16][25][28][30][34] [40][61][66] [83]. - Phương pháp điều khiển DFIG không cảm biến vòng hở [17] [20] [32][41][57]. - Các phương pháp điều khiển DFIG không cảm biến khác. 1.4.6 Cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than (Brushless- Doubly–Fed Induction Generator- BDFIG) Hạn chế của các hệ thống phát điện sử dụng DFIG là phải có chổi than và vành trượt. Một cấu trúc được đề xuất để khắc phục hạn chế này là tổ hợp máy
7. 5 phát điện dị bộ nguồn kép không chổi than, hệ thống này đã được ứng dụng khả thi trong thực tế [19][21][78][89][96]. 1.5 Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp, mục tiêu của luận án Hệ thống điều khiển DFIG trong máy phát đồng trục có cấu trúc điều khiển phức tạp, khả năng bám lưới và chất lượng điện của máy phát phụ thuộc nhiều phương pháp điều khiển. Để máy phát có chất lượng điện tốt và bám lưới bền vững thì cấu trúc hệ thống phải bao gồm nhiều khâu tính toán và điều khiển phức tạp. Luận án đề xuất một phương án kỹ thuật mới là phương pháp điều khiển máy phát dị bộ nguồn kép trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, với mục đích là làm đơn giản hóa hệ thống điều khiển máy phát đồng trục sử dụng DFIG, dẫn tới giảm giá thành hệ thống, nhưng vẫn đáp ứng được tốt các yêu cầu chất lượng cao. Đồng thời, luận án nghiên nghiên cứu xác định tốc độ rotor của DFIG để hiệu suất chuyển đổi cơ năng sang điện năng là cao nhất, để cài đặt được tỷ lệ truyền giữa máy chính và rotor của DFIG để nhiên liệu cho sản xuất điện năng thấp nhất. 1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án Nội dung của luận án tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy sử dụng DFIG. Trên cơ sở đó, đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng DFIG trong hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy. Phương pháp nghiên cứu của luận án là dựa trên các đặc điểm, tính chất và mô hình toán của DFIG, các đặc điểm của máy phát đồng trục trên tầu thủy để phân tích, chứng minh và đề xuất mô hình điều khiển DFIG mới hiệu quả cao. Đồng thời, kiểm chứng các kết quả thu được bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab. Nhận xét và kết luận chương 1 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHÁT ĐIỆN ĐỒNG TRỤC SỬ DỤNG DFIG BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG DẠNG TÍN HIỆU ROTOR 2.1 Các phương trình toán mô tả DFIG 2.2 Các cấu trúc ghép nối DFIG ứng dụng trong hệ thống phát điện So với hệ thống phát điện sử dụng DFIG đơn lẻ, hệ thống phát điện sử dụng tổ hợp ghép nối 2 DFIG có những ưu điểm nổi bật như: chất lượng điện phát ra cao hơn, khả năng bám điện áp lưới tốt hơn, đối tượng điều khiển dễ hơn. 2.2.1 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG không chổi than Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
8. 6 Hình 2.3: Cấu trúc ghép nối DFIG với bộ biến đổi công suất ở phía stator Ngày nay, hệ thống này đã được một số cơ sở nghiên cứu và cơ sở sản xuất trên thế giới tích hợp 2 DFIG trên cùng một khung máy và không cần chổi than. Hình 2.4: Máy điện dị bộ nguồn kép không chổi than-BDFIG [97] 2.2.2 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor Hình 2.7: Cấu trúc phát điện DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor
9. 7 Hệ thống gồm: 2 máy điện dị bộ nguồn kép DFIG1 và DFIG2, các khâu xử lý tín hiệu và mạch điều khiển dòng điện. DFIG1 không có chức năng phát công suất lên lưới mà chỉ có chức năng tạo các tín hiệu đồng dạng ở rotor. Vì vậy, lựa chọn DFIG1 là loại có kích thước và công suất nhỏ. Các tín hiệu ở các khâu của cấu trúc này đều là các tín hiệu đồng dạng với tín hiệu điện áp cảm ứng ở rotor của DFIG1. Do vậy, phương pháp này còn gọi là phương pháp điều khiển trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. 2.3 Mô hình toán hệ thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng tín hiệu dạng rotor 2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Hình 2.8: Hệ thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor Hệ thống gồm: Máy chính ME có trục được nối với trục DFIG1 và DFIG2. DFIG1: là máy điện dị bộ nguồn kép công suất nhỏ có tác dụng tạo tín hiệu suất điện động cảm ứng đồng dạng ở rotor. Khâu đồng dạng và cách ly: là mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán với trở kháng đầu vào vô cùng lớn. Mạch điều khiển dòng điện, điện áp rotor cho DFIG2 DFIG2: là máy phát dị bộ nguồn kép có tác dụng phát ra điện áp hòa với lưới điện tầu thủy. DFIG1 và DFIG2 có số cặp cực bằng nhau, được nối cứng trục với nhau sao cho tọa độ dây quấn ở rotor và stator của 2 máy trùng với nhau. Vì trong hệ thống có 2 DFIG, nên các đại lượng và thông số của các DFIG được ký hiệu để phân biệt như sau: chỉ số 1 cho DFIG1, chỉ số 2 cho DFIG2, 1 2 ví dụ: R là điện trở của DFIG1, L là điện cảm của DFIG2.
10. 8 2.3.2 Mô hình toán DFIG1 và DFIG2 Phương trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lưới, ứng dụng cho DFIG1: d(1 f ) 1 f 1 1 f s 1 f u s Rs . i s j.s .  dt s d(1 f ) (2.65 .a, b, c, d ) 1u f 1R .1i f r j. .1 f r r r r r dt 1 f 1 f 1 1 f 1  i s . Ls i r . Lm s 1 f 1i f .1L 1i f .1L r s m r r Vì điện trở của khâu đồng dạng và cách ly lớn, nên rotor của DFIG1 gần 1 f như hở mạch, nên i r 0 , từ thông stator và rotor của DFIG1 như sau: 1 f 1 i f .1L s s s (2.66 .a, b) 1 f 1 f  i .1L r s m Phương trình điện áp ở stator và rotor DFIG1 như sau: 1 f 1 f 1 1 f 1 d ( i s ) 1 1 f u s Rs . i s Ls . j.s . Ls . i s dt (2.67 .a, b) d (1i f ) 1u f 1L s j. .1L .1 i f r m r m s dt Tương tự tập hợp hệ phương trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ quay theo vector điện áp lưới, áp dụng cho DFIG2, ta có hệ phương trình cho DFIG2. 2.3.3 Mô hình hệ thống khi DFIG2 chưa hòa với lưới điện DFIG2 chưa nối với lưới điện, 2 i f 0 , từ thông stator và rotor như sau: s 2 f 2 i f .2 L s r 0 m (2.69 .a, b) 2 f 2 i f .2 L r r 0 r Phương trình điện áp của stator và rotor của DFIG2 như sau: 2 f 2 f 2 d ( i r 0 ) 2 2 f u s Lm . j. s . Lm . i r 0 dt (2.70 .a, b) 2 f 2 f 2 2 f 2 d ( i r 0 ) 2 2 f u r Rr . i r 0 Lr . j. r . Lr . i r 0 dt Điện áp ra rotor của DFIG1 (ở phương trình 2.65b), qua khâu đồng dạng và f cách ly, tạo điện áp là u ss như sau: d(1i f ) u f G .1u f G .(1L . s j. .1L .1i f ) (2.71) ss ss r ss m dt r m s
11. 9 2 2 f Ở khâu điều chế điện áp rotor DFIG2, bù thêm thành phần Rr . i r 0 , vậy điện áp đưa vào rotor của DFIG2 là: d(1i f ) 2u f 1u f 2R .2i f 2R .2 i f G (1L s j. .1L .1i f ) (2.72 ) r ss r r0 r r0 ss m dt r m s So sánh với phương trình điện áp rotor DFIG2 ở phương trình (2.70b) có: d(1 i f ) d(2 i f ) 2 R .2 i f G (1L . s j. .1L .1 i f ) 2R .2 i f 2L . r0 j. .2 L .2 i f r r0 ss m dt r m s r r0 r dt r r r0 => 2 i f K .1 i f (với K G .1 L / 2L ) (2.73 ) r 0 12 s 12 ss m r Thay 2 i f K .1 i f vào phương (2.70a) nhận được: r0 12 s d(1i f ) 2 u f K (2L . s j. .2L .1i f ) (2.74 ) s 12 m dt s m s Nghiên cứu lại phương trình (2.65a) là phương trình điện áp stator của d (1 i f ) DFIG1: 1 u f 1R .1 i f 1L . s j. .1L .1 i f (2.65.a) s s s s dt s s s Ta có nhận xét như sau: 1 f u s là điện áp của lưới điện. d (1 i f ) Độ lệch pha của thành phần điện áp 1 u f 1L . s j. .1L .1 i f so với sl s dt s s s d(1i f ) điện áp của lưới 1u f 1R .1i f 1L . s j. .1L .1i f là không đổi. s s s s dt s s s d(1i f ) So sánh thành phần điện áp 1u f 1L . s j. .1L .1i f với điện áp đầu ra sl s dt s s s d (1 i f ) của của DFIG2: 2 u f K ( 2L . s j. .2 L .1 i f ) ta thấy s 12 m dt s m s 2 f 1 f 2 1 , vậy 2 f trùng pha với thành phần 1 f . u s / usl K12. Lm / Ls const u s u sl Tới đây, có các kết quả của hệ thống khi chưa hòa với lưới như sau: Điện áp đầu ra của máy phát luôn lệch pha so với điện áp lưới một góc α=const rất nhỏ và hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ lai của máy chính. Vì độ lệch pha với góc α là cố định, ta chỉ cần xoay lệch trục DFIG1 và DFIG2 để bù lại sự lệch pha, hoặc độ lệch pha này rất nhỏ (do thành phần 1 1 f R s . i s rất nhỏ so với điện áp lưới), nên ta có thể bỏ qua không cần hiệu chỉnh. Biên độ điện áp đầu ra của máy phát có thể điều chỉnh thông qua điều chỉnh giá trị Gss. Các thành phần dòng điện rotor: Thành phần đơn vị của dòng điện rotor 2 2 f dọc trục DFIG2 ird 0 được tạo ra bằng cách cộng thêm pha của i r 0 một góc
12. 10 pha π/2. Thành phần đơn vị của dòng điện rotor ngang trục DFIG2 2i được rq0 2 f tạo ra bằng cách đảo pha i r 0 . 2.3.4 Mô hình hệ thống sau khi DFIG2 hòa với lưới điện 2 f Giả sử yêu cầu của máy phát là phải phát ra lưới điện dòng điện tải là i s , 2 f 2 f 2 f ta phải điều chỉnh dòng rotor có giá trị như sau: i r i r 0 i rt , Phương trình các thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục: 2i (2L /2L )2i sd m s rtd (2.85 .a,b) 2 2 2 2 isq ( Lm / Lm) irtq Vấn đề về công suất: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát DFIG2 là: 2 2 P (3/ 2). usd . isd (2.89 .a,b) Q (3/ 2).2 u .2 i sd sq Thay 2 ở phương trình (2.85a) và 2 ở phương trình (2.85b) vào các isd isq phương trình (2.89.a,b) có: 2 2 2 2 P (3/ 2). usd . i rtd .( Lm / Ls ) (2.90 .a,b) Q (3/ 2).2 u .2 i .(2L / 2L ) sd rtq m s Theo phần 2.3.3 ta có: 2 2 irtd GP. ird0 (2.91 .a,b) 2i G .2i rtq Q rq0 (Theo phần 2.3.3: tín hiệu đơn vị 2 được tạo bằng cách đảo pha 2 f và i rq 0 i r 0 tín hiệu đơn vị 2 i được tạo bằng cách lấy 2 i f cộng thêm góc pha π/2). rd 0 r 0 Thay 2 và 2 để tính P và Q có: irtd irtq 2 2 2 2 P (3/ 2).(GP. ird0 ). usd .( Lm / Ls ) GP.X (2.92 .a,b) Q (3/ 2).(G .2i ).2 u .(2L /2L ) G .Y Q rq0 sd m s Q Với X, Y là các thành phần không đổi vì trong tọa độ quay theo điện áp lưới, các thành phần 2 2 2 đều không đổi. usd,, i rd0 i rq 0 Vậy để điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số GP, điều chỉnh công suất phản kháng Q của máy phát bơm ra lưới điện ta chỉ cần điều chỉnh hệ số GQ.
13. 11 Hình 2.13: Sơ đồ khối mô hình hệ phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor khi hòa lưới 2.3.5 Các ưu điểm của cấu trúc phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật động dạng tín hiệu rotor Phương pháp điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đã đáp ứng được rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lưới điện tầu thủy. Mô hình có các khâu điều khiển các thành phần công suất cung cấp ra lưới điện rất đơn giản và hiệu quả: thành phần công suất tác dụng P tỷ lệ với hệ số GP, thành phần công suất phản kháng Q tỷ lệ thuận với hệ số GQ. Vì vậy, việc thiết kế bộ điều khiển các thành phần công suất sau này sẽ rất đơn giản. 2.4 Xác định tỷ số truyền của hộp số của máy phát đồng trục 2.4.1 Cấu tạo, chức năng của hộp số trong máy phát đồng trục 2.4.2 Các dòng năng lượng qua máy phát Các thông số máy điện, các thành phần công suất đề cập ở các công thức trong mục 2.4 đều là của DFIG2. Vì vậy, ở mục này ta không cần thêm chỉ số để phân biệt 2 DFIG. Hình 2.16: Cấu trúc dòng năng lượng qua máy phát
14. 12 2.4.3 Các thành phần công suất qua máy phát 2.4.3.1 Công suất cơ của máy chính 3 M 2 P M . sr i i M  (2.100 ) c c 2 L rd rq 0 s 2.4.3.2 Công suất stator của DFIG 3 M 3 P (  M i )( sr i )  (M 2 / L )i i (2.102 ) 1 2 s sr rq L rd 2 s sr s rd rq s 2.4.3.3 Công suất mạch rotor của DFIG P  P /  (3 / 2)R (i 2 i 2 ) (2.107 ) 2 r 1 s r rd rq Công thức (2.107) thể hiện rõ mối liên giữa công suất của thiết bị điều khiển P2 với công suất phát lên lưới P1. Tần số góc  của dòng điện rotor để P2=0 là: r 0 2 2 3 L u R s u 2 sd 2 r M sd X sr sr (với ).   X sr s .M sr r0 s P 1 Khi đó, tốc độ góc của rotor là: 2 2 3 L u R s i 2 sd 2 r M sd X (2.110 ) sr sr 0 s 1 P1 2.4.4 Hiệu suất chuyển đổi cơ năng sang điện năng 2.4.4.1 Xét trường hợp 0 Mạch rotor phát công suất, giả sử hiệu suất của bộ biến tần là Hbt (Hbt giảm khi tần số đóng cắt của IGBT tăng và ngược lại [93]). Hiệu suất chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng của hệ thống phát điện đồng trục là: P P H H 1 2 bt Pc M 2 (3 / 2) (M 2 / L )i i (3 / 2)(  )i i sr H (3 / 2)R (i 2 i 2 )H s sr s rd rq s rd rq bt r rd rq bt L s (2.112 ) 3 M 2 sr i i M  rd rq 0 2 L s Lấy đạo hàm hiệu suất H ta có:
15. 13 2 2 (2.113) ' P1 (1 H bt ) (3 / 2)Rr (ird irq )H bt H  P 1 M  2  0 s ' H 0, suy ra H tăng khi  tăng, vậy với trường hợp   thì hiệu suất  0 H=max khi   0 . Kết hợp 2 trường hợp ta có: để hiệu suất biến đổi từ cơ năng sang điện năng trong hệ thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG đạt giá trị lớn nhất khi tốc độ góc rotor của DFIG là: 2 2 3 L u R s i 2 sd r sd 2 M sr X sr (2.117 )   1 0 s P 1 Trên cơ sở công thức (2.117), ta có lựa chọn tỉ số truyền của hộp số giữa máy chính và máy phát đồng trục để tốc độ góc rotor của DFIG nằm trong khoảng giá trị gần  để nâng cao hiệu suất biến đổi cơ năng sang điện năng, 0 tiết kiệm nhiên liệu sản suất điện năng trên tầu thủy. Nhận xét và kết luận chương 2
16. 14 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT BẰNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT 3.1 Mở đầu 3.2 Các khâu chức năng trong hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối hê thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor 3.3 Xây dựng mô hình hệ thống Hình 3.2: Mô hình mô phỏng hệ thống
17. 15 3.4 Cách chỉnh định và vận hành hệ thống 3.4.1 Chỉnh định hệ thống khi stator của DFIG2 chưa nối với lưới Cài đặt các hệ số khuếch đại GP và GQ bằng 0. Lúc này, pha và tần số của điện áp stator DFIG2 luôn trùng pha và tần số với điện áp lưới, còn biên độ của điện áp ở stator DFIG2 có thể điều chỉnh thông qua hệ số GSS. 3.4.2 Vận hành hệ thống sau khi stator của DFIG2 nối với lưới Công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của DFIG2 phát lên lưới có thể được điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh độ lớn hệ số GP và GQ ở các khâu khuếch đại. 3.5 Mô phỏng các đặc tính của các khâu trong hệ thống 3.5.1 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện chưa hòa với lưới Quá trình chỉnh định GSS: Tại thời điểm t=1.6s, ta chỉnh định GSS=11.2, lúc 2 đó điện áp usa trùng biên độ, trùng pha, trùng tần số với điện áp lưới, đảm bào đủ điều kiện sẵn sàng hòa hệ thống phát điện với lưới. time(s) Hình 3.7: Kết quả mô phỏng quá trình chỉnh đinh Gss Đáp ứng của hệ thống khi tốc độ rotor ɷ thay đổi: 2 Kết quả thu được là điện áp pha A ở stator của máy phát usa luôn trùng 1 biên độ, tần số và pha với điện áp pha A của lưới usa. Vậy khả năng bám điện áp lưới của máy phát DFIG khi tốc độ rotor thay đổi là rất tốt.
18. 16 time(s) Hình 3.8: Đáp ứng hệ thống phát điện chưa hòa lưới khi tốc độ rotor ɷ thay đổi Đáp ứng của hệ thống khi sụt điện áp lưới: time(s) Hình 3.9: Đáp ứng của hệ thống phát điện chưa hòa lưới khi sụt điện áp lưới
19. 17 2 Kết quả thu được là điện áp pha A ở stator của máy phát usa luôn bám theo 1 điện áp pha A của lưới usa, vậy khả năng bám điện áp lưới của hệ thống phát điện khi điện áp lưới thay đổi hay có sự cố là rất tốt. Vậy trong trường hợp stator DFIG2 chưa nối với lưới ta có các kết luận sau: sau khi chỉnh định GSS xong, điện áp của máy phát luôn trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp lưới ngay cả khi tốc độ rotor thay đổi hay điện áp lưới thay đổi, đáp ứng rất tốt các điều kiện về hòa đồng bộ giữa hệ thống phát điện với lưới điện ”mềm” trên tầu thủy. 3.5.2 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện hòa với lưới Điều chỉnh độc lập các thành phần công suất thông qua GP, GQ: kết quả mô phỏng cho thấy có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của DFIG2 phát lên lưới thông qua điều chỉnh hệ số GP và GQ. time(s) Hình 3.10: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lưới khi GP và GQ thay đổi Đáp ứng hệ thống khi tốc độ rotor ɷ thay đổi: Ta cài đặt các hệ số khuếch đại GP và GQ cố định (GP=10, GQ=0), và chạy mô phỏng hệ thống khi cho tốc độ rotor của DFIG thay đổi. Từ kết quả mô phỏng, có kết luận: hệ thống phát điện đồng trục vẫn ổn định khi tốc độ máy chính thay đổi.
20. 18 time(s) Hình 3.11: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lưới khi tốc độ thay đổi Đáp ứng của hệ thống khi sụt điện áp lưới: time(s) Hình 3.12: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lưới khi sụt điện áp lưới
21. 19 Các kết quả mô phỏng cho thấy: khi sụt điện áp lưới với hệ số K, dòng điện các pha stator DFIG2 phát lên lưới cũng giảm với hệ số K, kết quả là công suất DFIG2 phát lên lưới giảm với hệ số K2. Vậy với đặc điểm tự nhiên này, hệ thống sẽ có phản ứng thích hợp trong điều kiện sụt điện áp lưới là không có nguy cơ bị quá dòng của máy phát khi xảy ra hiện tượng sụt điện áp lưới. Kết luận chương 3 Các kết quả mô phỏng ở hình 3.7, 3.8 và 3.9 phù hợp với kết luận trong mục 2.3.3 ở chương 2: khi máy phát chưa hòa với lưới, sau khi chỉnh định Gss, điện áp của máy phát luôn trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp lưới, ngay cả trong các trường hợp tốc độ rotor thay đổi hoặc điện áp lưới thay đổi, đáp ứng rất tốt các điều kiện hòa đồng bộ giữa máy phát với lưới điện. Các kết quả mô phỏng ở hình 3.10, 3.11, 3.12 phù hợp với kết luận mục 2.3.4 trong chương 2: khi hòa máy phát với lưới điện, có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lưới thông qua điều chỉnh hệ số GP và GQ. Và các kênh điều khiển công suất không bị ảnh hưởng khi tốc độ quay của rotor thay đổi. Nhận xét và kết luận chương 3 CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT DỊ BỘ NGUỒN KÉP LÀM VIỆC Ở TRẠM PHÁT ĐỒNG TRỤC TẦU THỦY 4.1 Mở đầu 4.2 Xác định cấu trúc đối tượng điều khiển Hình 4.2: Sơ đồ khối đối tượng điều khiển Các kênh điều khiển không bị ảnh hưởng chéo nhau. Đặc điểm và tính chất của từng kênh của đối tượng điều khiển đã được khảo sát qua mô hình toán ở mục 2.3.4 trong chương 2, và qua kết quả mô phỏng ở hình 3.10 ở chương 3. 4.3 Thiết kế bộ điều khiển Tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tượng. 4.3.1 Khái quát về hệ thống điều khiển mờ 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tượng Đối tượng điều khiển gồm 2 kênh điều khiển độc lập là kênh công suất tác dụng P và kênh công suất phản kháng Q, mỗi kênh được điều khiển bằng một
22. 20 bộ điều khiển PID với các tham số KP, KI, KD được chỉnh định bởi các bộ chỉnh định mờ mô hình madani. a) b) Hình 4.5: Hệ thống điều khiển các thành phần công suất Xét kênh điều khiển công suất tác dụng P: Chọn các hàm liên thuộc: Chọn các hàm liên thuộc đầu vào e và ė như hình 4.6b, mỗi giá trị đầu vào gồm 5 tập mờ: âm lớn (NB), âm (N), Không (Z), Dương (P), Dương lớn (PB), nằm trong dải giá trị [-1 1] pu, với hệ số chuyển đổi Xe=1/2143, Xė=1/2143. Chọn các hàm liên thuộc đầu ra KP, KI, KD như hình 4.6c, mỗi giá trị đầu ra gồm 5 tập mờ: Rất nhỏ (VS), Nhỏ (S), Trung bình (M), Lớn (B), Rất lớn -2 (VB), nằm trong dải giá trị [0 1]pu, với hệ số chuyển đổi XKP=1/(6.10 ), -2 -2 XKI=1/(15.10 ), XKD=1/(3.10 ). a) b) c) Hình 4.6: Bộ chỉnh định mờ và các hàm liên thuộc Các luật suy diễn: được thực hiện dựa trên kinh nghiệm và đặc điểm của đối tượng điều khiển. Bảng 4.2: Luật suy diễn bộ chỉnh định mờ e NB N Z P PB ė KP VS VS VS S M NB KI VB VB VB S VS KD VS VS VS B VB KP VS S S S M N KI VB B B M VS KD VS S S M VB KP VS S M B VB Z KI B B M S VS KD S S M B VB KP M B B B VB P KI B M S S VS
23. 21 KD S M B B VB PB KP M B VB VB VB KI M S VS VS VS KD M B VB VB VB Chọn luật hợp thành dạng MAX-MIN, giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm. Kết quả mối quan hệ các biến vào ra của bộ chịnh định mờ được thể hiện ở hình 4.7. Hình 4.7: Đồ thị quan hệ các biến vào ra của bộ chỉnh định mờ Tương tự, thiết kế bộ điều khiển cho kênh điều khiển công suất phản kháng Q giống hệt kênh điều khiển công suất tác dụng P. Thực hiện chạy mô hình tổng thể hệ thống khi giá trị đặt (giá trị mong muốn P*, Q*) thay đổi: Kết quả mô phỏng cho thấy các giá trị công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của stator DFIG2 phát ra lên lưới luôn bám theo các giá trị mong muốn P*, Q* với thời gian quá độ rất nhỏ (khoảng 0.01s) và không có độ quá điều chỉnh. time(s) Hình 4.9: Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiẻn PID chỉnh định mờ
24. 22 4.4 Phân chia tải hệ thống phát điện đồng trục với lưới điện tầu thủy Hệ thống phát điện đồng trục được hòa với lưới điện tầu thủy, tác giả chạy thử hệ thống khi cài đặt hệ số phân chia tải Rp=Rq=70%. time(s) Hình 4.11: Kết quả mô phỏng phân chia công suất tải giữa máy phát đồng trục với lưới điện tầu thủy Từ kết quả mô phỏng cho thấy, đáp ứng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của DFIG2 phát lên lưới luôn bám theo giá trị công suất mong muốn của nó (70% công suất của tải) với thời gian quá độ rất nhỏ. Để có kết quả sát thực, tác giả chạy thử hệ thống với trường hợp khác như sau: phụ tải là động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc (mã hiệu 215HP, 320KW, 400V, 1487RPM), được các kết quả mô phỏng như hình 4.12. Từ kết quả mô phỏng cho thấy, khi momen cản trên đầu trục của động cơ thay đổi, công suất tác dụng và công suất phản kháng của động cơ tiêu thụ từ lưới thay đổi phức tạp, dẫn đến các giá trị mong muốn (giá trị đặt) thay đổi theo. Tuy nhiên, công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát đồng trục lên lưới luôn bám theo các giá trị đặt.
25. 23 time(s) Hình 4.12: Kết quả mô phỏng khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 pha Để thấy được rõ hơn về khả năng bám các giá trị đặt của hệ thống, tác giả thực hiện lấy kết quả mô phỏng chi tiết hơn gồm: các giá trị đặt (70% công suất phụ tải) và giá trị thực tế của công suất trên cùng một đồ thị, được thể hiện ở hình 4.13. time(s) Hình 4.13: Kết quả mô phỏng khả năng điều khiển bám giá trị đặt của hệ thống khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 pha
26. 24 Nhận xét và kết luận chương 4 Ưu điểm của phương pháp điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor là phương pháp có cấu trúc điều khiển đơn giản nhưng chất lượng đạt được cao. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án là công trình khoa học đầu tiên về đề xuất cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát đồng trục trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu cảm ứng rotor. Luận án đã nghiên cứu, đề xuất và xác được khoảng tốc độ rotor của DFIG để hiệu suất chuyển hóa từ cơ năng của máy chính sang điện năng phát ra ở DFIG trong máy phát đồng trục là cao nhất, làm cơ sở cho xác định tỷ lệ truyền của hộp số của máy phát đồng trục để giảm chi phí sản xuất điện năng trên tầu thủy. Phương pháp điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đã đơn giản hóa được cấu trúc điều khiển DFIG trong máy phát điện đồng trục, phương pháp cũng đã cách ly được 2 kênh điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng, 2 kênh này được điều khiển độc lập thông qua 2 hệ số trong 2 mạch khuếch đại tín hiệu lập trình được. Phương pháp điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor cũng đã nâng cao khả năng bám điện áp lưới “mềm” trên tầu thủy của máy phát đồng trục trong điều kiện tốc độ máy chính thay đổi, nâng cao được độ ổn định và tính an toàn của lưới điện tầu thủy. Kiến nghị Với những kết quả đạt được, luận án đã nâng cao được hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát điện đồng trục trên tầu thủy. Tuy nhiên đề hoàn thiện hơn nữa, tác giả xin đề xuất một vài hướng nghiên cứu tiếp theo như sau: Nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor khi hòa với lưới điện trong trường hợp bị lỗi lưới không đối xứng. Nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor ứng dụng trong trường hợp nuôi phụ tải độc lập.
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban, ”Phân tích các hệ máy phát đồng trục trên Tầu thủy và đề xuất cấu trúc sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở tín hiệu đồng dạng”, Tạp chí Giao thông vận tải tháng 10/2012, trang 40-43. ISSN 0868- 7012. 2. Nguyễn Trọng Thắng, Thân Ngọc Hoàn, ”Tìm tốc độ góc của rotor máy phát dị bộ nguồn kép để hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy đạt cực đại”, Tuyển tập công trình hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6-VCM2012, trang 60-66. ISBN 978-604-62-0753-5. 3. Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban, ”Đề xuất phương pháp kích từ cho máy phát đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong trạm phát điện tàu thủy”, Tuyển tập công trình hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6-VCM2012, trang 67-74. ISBN 978-604-62-0753-5. 4. Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban, “ Xác định công suất mạch kích từ của máy phát dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy”, Tạp chí Khoa học-Công nghệ Hàng hải, Số 33-01/2013, trang 49-52. ISSN 1859-316X. 5. Thang Nguyen Trong, Ban Nguyen Tien, Hai Nguyen Thanh, “A novel method for excitation control of DFIG connected to the grid on the basis of similar signals from rotor”, International Journal Applied Mechanics and Materials, Volumes 336 - 338- Industrial Instrumentation and Control Systems II, pp.1153-1160. (ISSN: 1662-7482, Indexed: SCOPUS, ISI (ISTP), EI, IEE). 6. Thang Nguyen Trong, Ban Nguyen Tien, Hai Nguyen Thanh, Hai Nguyen Hoang, “The controller of DFIG power fed into the grid basing on the rotor similar signal method”, International Journal Applied Mechanics and Materials, Volumes 415- Automatic Control and Mechatronic Engineering II, pp.245-249. (ISSN: 1662- 7482, Indexed: SCOPUS, ISI (ISTP), EI, IEE). 7. Thang Nguyen Trong, Ban Nguyen Tien, Hai Nguyen Thanh, “Excitation Control System of DFIG Connected to the Grid on the Basis of Similar Signals from Rotor”, The 10th IEEE International Conference on Mechatronics and Automation- IEEE-ICMA, 4-7th August, 2013 in Takamatsu, Japan, pp.738-742. (ISBN: 978-1- 4673-5557-5, Indexed: SCOPUS, EI) 8. Nguyễn Trọng Thắng, Nguyễn Tiến Ban, Nguyễn Đức Minh,”Máy phát dị bộ nguồn kép không chổi than”, Tạp chí Khoa học và công nghệ Hàng hải số 36- 11/2013, trang 36-39. ISSN 1859-316X. Giải thưởng: Best Paper Award at the International Conference on Automatic Control and Mechatronic Engineering (ICACME 2013), 21-22nd June, 2013 in Bangkok, Thailand.