ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA LƯỚI CHO
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN
CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG
Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: DƯƠNG QUỐC HƯNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI DUYỆT BAN KHOA ĐT NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN
GIÁM HIỆU SAU ĐẠI HỌC DẪN
PGS.TS. Lại Khắc Lãi Dương Quốc Hưng
THÁI NGUYÊN - 2011
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -30- Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép -30-
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện -30-
2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG -32-
2.1.3. Công suất của DFIG -35-
2.1.4. Véctơ không gian -36-
2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không
gian -37-
2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG -37-
2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG -38-
2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới -39-
2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link -40-
2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC) -41-
2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) -41-
2.3. Từ trƣờng trong hệ thống DFIG -42-
2.3.1. Từ trường của stato -42-
2.3.2. Từ trường của lưới -42-
2.4. Kết luận chƣơng 2 -43-
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP -44-
3.1. Tìm hiểu một số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió . -44-
3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu -44-
3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ -49-
3.2. Lý thuyết về điều khiển PID -50-
3.2.1. Đặt vấn đề -50-
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dƣơng Quốc Hƣng
Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện
sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu
sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn Dƣơng Quốc Hƣng
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
U
s
(stator voltage): Điện áp Stato
R
s
(stator resistance): Điện trở Stato
U
r
(rotor voltage): Điện áp Roto
R
r
( rotor resistance): Điện trở Roto
I
s
(stator current): Dòng điện Stato
R
m
(magnetizing resistance): Điện trở từ hoá
I
r
(rotor current): Dòng điện Roto
L
sλ
(stator leakage inductance): Điện cảm Stato
I
r
là tần số góc của Roto
2
là tần số trượt
T
m
: Mômen cơ khí
T
e
: Mômen điện từ
P
s
: Công suất tác dụng Stato
P
r
: Công suất tác dụng Roto
Q
s
: Công suất phản kháng Stato Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Q
r
: Công suất phản kháng Roto
P
loss
: Tổn thất công suất
ĐCĐB - KTVC
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
MĐKĐBNK
Máy điện không đồng bộ nguồn kép
MĐĐB - KTVC
Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
NLPL - NLDI
Nghịch lưu phía lưới
NLMF - NLFDI
Nghịch lưu phía máy phát
PĐSG
Phát điện sức gió
DFIG
Doubly-Fed Induction Generator
AVR
Automatic Voltage Regulator
GSC
Grid Side Converter
MSC
Machine Side Converter
ĐKCTĐ
điều khiển chuyển toạ độ trạng thái
KĐB-RLS
Không đồng bộ Roto lồng sóc
KĐB-RDQ
Không đồng bộ Roto dây quấn
ĐK
Điều khiển
MP
Máy phát
Trang
Hình 1.1
Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch
20
Hình 1.2
Bộ nghịch lưu
20
Hình 1.3
Bộ đóng cắt mềm
20
Hình 1.4
Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang
21
Hình 1.5
Cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế
22
Hình 1.6
Một trạm phong điện trong thực tế
22
Hình 1.7
Hệ thống kích thích xoay chiều
23
Hình 1.8
Tuabin gió với tốc độ cố định
26
Hình 1.9
Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực
tiếp giữa stator và lưới
27
Hình 1.10
35 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 2.7
Nguyên lý của Véctơ không gian
36
Hình 2.8
Sơ đồ khối mạch điện mô tả hệ thống DFIG
37
Hình 2. 9
Sơ đồ thay thế và quy đổi của DFIG trong hệ toạ độ
không gian véctơ
38
Hình 2.10
Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ không gian
véctơ
39
Hình 2.11
Mô hình DC - Link
40
Hình 2.12
Mô hình bộ Grid Side Converter (GSC)
41
Hình 2.13
Mô hình bộ Machine Side Converter (MSC)
41
Hình 2.14
Điện áp lưới và từ trường Stato trong hệ toạ độ dq
49 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Hình 3.8
Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K
p
(K
i
và K
d
là hằng
số)
52
Hình 3.9
Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị K
i
(K
p
và K
d
không đổi)
53
Hình 3.10
Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị K
d
(K
p
Mô phỏng mạch bằng Simulink
70
Hình 4.3
Kết quả mô phỏng
70
Hình 4.4
Sơ đồ mạch thể hiện trên PLECS
70
Hình 4.5
Mô hình mô phỏng RLC hoàn chỉnh
70
Hình 4.6
Sơ đồ toàn bộ hệ thống trên Simulink
71
Hình 4.7
Sơ đồ khối Direct Torque Control
72
Hình 4.8
Sơ đồ khối Plecs Circuit
72
Hình 4.9
Kết quả mô phỏng
73
Hình 4.10
Thư viện của Plecs 3.1.3
74
Hình 4.11
Hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG
76
Hình 4.12
Mô hình bộ điều khiển công suất trên Simulink
82
Hình 4.21
Bộ điều khiển công suất tác dụng
83
Hình 4.22
Bộ điều khiển công suất phản kháng
83
Hình 4.23
Mô hình bộ điều khiển dòng điện Roto trên Simulink
83
Hình 4.24
Điều khiển dòng điện Roto trục d
84
Hình 4.25
Điều khiển dòng điện Roto trục q
84
Hình 4.26
Mô hình bộ điều khiển điện áp trên Simulink
85
Hình 4.27
Mô hình bộ điều khiển dòng điện phía trên Simulink
85
Hình 4.28
Điều khiển dòng điện trục q (phía lưới)
86
Hình 4.29
Điều khiển dòng điện trục d (phía lưới)
86
Hình 4.30
Tốc độ máy phát, công suất phía Stato (Ps, Qs), phía
Roto (Qr, Qr) và công suất phát của hệ thống (P,Q) khi
Vwind =10.5m
8m/s
93
Hình 4.37
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp Rotor
(Ur) khi Vwind =10.5m
8m/s
94
Hình 4.38
Dòng điện Idc in, điện áp một chiều Vdc và công suất
một chiều Pdc in của bộ DC – Link khi Vwind
=10.5m
8m/s
94
Hình 4.39
Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện áp Rotor
Ur) khi Vwind=12m
10.5m/s với thời gian mô phỏng
0,06s
96
Hình 4.40
Hình 4.40. Dòng điện Roto (Ir), dòng Stato (Is), và điện
áp Rotor Ur) khi Vwind =10.5m
tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng
kềnh, tốn kém, do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của tuabin.
Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed
Induction Generator), với Roto dây quấn và Roto được nối với lưới điện thông
qua một bộ back-to-back converter. Còn Stato của DFIG được nối trực tiếp với lưới
điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển bộ back-to-back converter phía Roto.
Vì bộ điều khiển nằm phía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato,
dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều.
Việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển để điều khiển dòng Rotor cho máy
phát điện nguồn kép đang được chú ý [10], [11]. Đề tài đưa ra phương án: “Thiết kế
bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG”.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung phương pháp điều
khiển hòa lưới điện cho máy phát điện sức gió DFIG, trên cơ sở hai vấn đề:
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía Rotor (Rotor side
converter). Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 15 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
+ Thiết kế các bộ điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới (Grid side
converter).
b. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh
hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong
việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng sạch. Ứng dụng tại các
nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng sạch.
3. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu
đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng
lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió.
Ưu điểm dễ thấy nhất của các trạm máy phát điện sử dụng sức gió (gọi tắt là
trạm phong điện) là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như
các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hẳn với
các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh với những điều
kiện đặc biệt và cần diện tích rất lớn cho hồ chứa nước. Các trạm phong điện có thể
đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường
dây tải điện.
1.1.2. Năng lƣợng gió
Năng lượng gió (NLG) là việc chuyển đổi gió thành 1 dạng năng lượng hữu
ích, chẳng hạn như sử dụng tua bin gió để tạo điện, cối xay gió cho sức mạnh cơ
khí, máy bơm gió để bơm nước hoặc thoát nước, hoặc buồm để đẩy con tàu
Vào cuối năm 2008, trên toàn thế giới khả năng sản xuất điện của gió là 121,2
GW, khoảng 1,5% điện năng được sử dụng trên toàn thế giới; và đang tăng trưởng
nhanh chóng, tăng gấp đôi trong ba năm từ năm 2005 đến 2008. 1 số nước đã đạt
được mức độ tương đối cao của sự thâm nhập điện gió (với trợ cấp lớn của chính
phủ), như 19% sản xuất điện tĩnh tại Đan Mạch, 13% tại Tây Ban Nha và Bồ Đào
Nha, và 7% tại Đức và Ireland trong 2008. Đến 2009, 80 quốc gia trên khắp thế giới
đang sử dụng năng lượng gió trên cơ sở thương mại.
Những trại gió quy mô lớn được kết nối với các mạng lưới truyền tải điện
năng; các cơ sở nhỏ hơn được sử dụng để cung cấp điện đến các địa điểm bị cô lập. Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 17 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Gió là một nguồn năng lượng có đặc tính ưu việt là có ở tất cả mọi nơi. Song
việc ứng dụng NLG trong các quá trình sản suất là hết sức khó khăn, để nhận được
công suất lớn cần có máy phát điện sức gió kích thước rất lớn. Thêm vào đó là NLG
kết quả sau:
Về máy phát điện sức gió:
- Máy phát điện PD 170- 6, công suất 120W nạp ắcquy của Trường Đại Học
Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.
- Máy phát điện PH- 500, công suất 500W của Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội.
- Máy WINDCHARGER, công suất 200W nạp ắcquy (theo thiết kế của Mỹ)
do một số cơ quan cải tiến thiết kế chế tạo.
- Máy phát điện gió công suất 150W của Trung tâm nghiên cứu SOLALAB
Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ CHí Minh.
Về động cơ gió bơm nước:
- Máy D- 4 bơm cột nước thấp của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.
- Máy D- 3,2 bơm cột nước cao của Viện năng lượng, Bộ Công Thương.
- Các máy PB 380- 10 và 350- 8 bơm cột nước cao do Trường Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh thiết kế, chế tạo
- Máy OASIS bơm cột nước cao (trước đây do hợp tác xã 2- 9 Thành Phố Hồ
Chí Minh cải tiến, thiết kế và chế tạo).
Thời gian gần đây do nhu cầu nghiên cứu, ứng dụng năng lượng gió phát triển
mạnh, chúng ta đã nhập nhiều loại thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài. Tuy
nhiên việc nhập và ứng dụng các thiết bị phát điện sức gió của nước ngoài còn đang
trong giai đoạn thử nghiệm. Bên cạnh các thiết bị phát điện dùng sức gió công suất
cực nhỏ nhập của Trung Quốc ta đã xây dựng các dự án nhà máy điện gió công suất
lớn.
1.1.3. Vài nét về trạm phong điện
Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu
Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Nước Đức đang dẫn đầu thế giới
về công nghệ phong điện. Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 19 - Chuyên ngành Tự động hoá
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 20 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
chuyển qua bộ nghịch lưu theo hai chiều. Chúng được tạo thành bởi các linh kiện
điện tử bán dẫn công suất (hình 1.2).
Bộ đóng cắt mềm: Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được
kết nối hoặc không kết nối với lưới. Chúng được tạo thành bởi các linh kiện bán dẫn
công suất (Thyristor) mỗi pha gồm hai Thyrisor mắc song song ngược, nên trong
quá trình đóng cắt không phát sinh hồ quang. Bộ đóng cắt mềm cho phép đóng cắt
với thời gian ngắn; thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được công
suất cấp cho tải và hướng truyền công suất (hình 1.3).
Hình 1.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch
Hình 1.2. Bộ nghịch lưu Hình 1.3. Bộ đóng cắt mềm Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 21 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1.2.2. Cấu tạo của Tuabin phong điện
Hình 1.4. trình bày cấu tạo phong điện tuabin gió trục ngang. Bao gồm các
phần chính:
Hình 1.4. Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ
điểu khiển.
Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho
các cánh quạt chuyển động và quay.
Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 23 - Chuyên ngành Tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ
30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng
gió bất thường.
Năng lượng của gió làm cho cánh quạt quay dẫn đến Roto của máy phát
quay (Nhờ truyền động của bộ Gear box). Máy phát điện muốn phát ra điện được,
ngoài việc roto của máy phát quay, còn phải có dòng điện kích từ. Dòng điện kích
từ được đưa vào Roto của máy phát để kích thích từ trường của Roto máy phát . Hệ
thống thiết bị tạo ra dòng điện này gọi chung là hệ thống kích thích máy phát (Hình
1.7. trình bày sơ đồ đơn giản
của hệ thống kích thích máy
phát xoay chiều). Dòng điện
kích thích máy phát, chủ yếu
là để tạo từ trường cho Roto
nhưng những tác động của
nó còn có thể dùng để điều
chỉnh điện áp máy phát.
Ngoài ra, dòng điện này còn
điều chỉnh công suất vô công
của máy phát khi máy phát
nối vào lưới.
Để có thể thay đổi trị
số của dòng điện kích thích
nhằm đáp ứng được các yêu
cầu trên, cần phải có một bộ
phận điều khiển (Controller). Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích
nối vào đầu cực máy phát như biến thế chính, máy biến áp phụ sẽ bị quá kích
thích, bão hòa từ, và quá nhiệt. Thường tốc độ máy phát cần đạt đến 95% tốc độ
định mức. Bộ điều chỉnh điện áp tự động cũng phải luôn theo dõi tỷ số này để điều
chỉnh dòng kích thích cho phù hợp, mặc dù điện áp máy phát chưa đạt đến điện áp
tham chiếu.
* Điều khiển công suất vô công của máy phát điện
Copyright: Tài liệu đại học ©