ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN VĂN THẢO
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP KHI XẢY RA
LỖI LƯỚI KHÔNG ĐỖI XỨNG 2012
i
MỤC LỤC
NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG
ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24
3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khiển MPĐKĐBNK 24
3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 25
3.2.1 Mô hình dòng rotor 25
3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ
điều chỉnh dòng hai chiều. 26
3.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và công suất phản kháng phía
máy phát 28
3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 30
3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển 31
3.3.2 Bộ điều khiển tựa thụ động 33
3.3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i
rd
34
3.3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i
rq
35
3.4 Các khâu tính toán giá trị thực và đặt. 37
3.5 Hòa đồng bộ máy phát lên lƣới. 39
3.5.1 Điều kiện cùng tần số. 39
3.5.2 Điều kiện trùng pha 41
3.5.3 Điều kiện trùng biên độ điện áp. 42
3.6 Mô hình và cấu trúc điều khiển phía lƣới 42
3.6.1 Mô hình phía lƣới 42
3.6.2 cấu trúc điều khiển phía lƣới 45
CHƢƠNG 4 48
MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LỖI LƢỚI 48
4.1 Kết quả mô phỏng 48
4.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 49
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã đƣợc giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội
dung: “Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ
nguồn kép khi xảy ra lỗi lƣới không đỗi xứng”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các
thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng nhƣ sự nỗ lực của bản thân đến
nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài.
Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại
ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng nhƣ đây là một lĩnh vực còn
tƣơng đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn đƣợc hoàn chỉnh
và có ý nghĩa hơn.
Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang đã trang bị kiến thức,
dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa
Điện Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình
học tập cũng nhƣ nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn Nguyễn Văn Thảo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi
Số cực đôi của máy phát
rd rq sd sq
i ,i ,i ,i
Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ tọa độ dq
rr
i ,i
Các thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ
rd
PBC PBC
rq
u ,u
Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa theo thụ
động trong hệ tọa độ dq
rd rq sd sq
u ,u ,u ,u
Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ dq
m
L
Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor
r m r
L L L
Mômen máy phát
N s r
u ,u ,u
Vector điện áp phia lƣới, stator, rotor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4.1.1: Các thông số của MPKĐBNK……………………………………… 48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
1.1.1
Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCDB ba pha
3
1.1.2
Hình 1.2:a, Biểu diễn các đại lƣợng ba pha trên hệ trục tọa độ cố
định
b, sự biến đổi giữa các hệ trục
và
3.2.3
Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển phía máy phát
28
3.2.3
Hình 3.4: Hệ thống điều khiển phía MP sử dụng BĐK tuyến tính
29
3.3.1
Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát
30
3.3.1
Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển phía máy phát
32
3.3.2.2
Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL
36
3.3.2.2
Hình 3.8: Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL
36
3.5.2
Hình 3.9: Quan hệ giữa các vector trong thực hiện hòa đồng bộ
40
3.6
Hình 3.10 : (a) Mạch điện phía lƣới và (b) sơ đồ tƣơng đƣơng
42
3.6
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía lƣới
51
4.1.1
Hình 4.6: Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông
52
4.1.1
Hình 4.7: Khối bộ điều khiển dòng rotor có kể đến dự báo dòng,
hiệu chỉnh sai lệch
52
4.1.1
Hình 4.8: Khối tổng hợp bộ điều khiển dòng và giá trị
53
4.1.1
Hình 4.9: Khối hòa đồng bộ
53
4.1.1
Hình 4.10: Khối điều khiển phía lƣới
54
4.1.2.1
Hình 4.11: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm
việc bình thƣờng
56
4.1.2.2
Hình 4.12: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi
lƣới đỗi xứng
58
4.1.2.3
Hình 4.13: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi
lƣới không xứng
60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xi
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là máy phát không đồng bộ nguồn kép.
- Phạm vi nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống
phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK trên phần mềm Matlab – Simulink – Plecs
khi xảy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện.
- Nghiên cứu, khảo sát đặc tính của lƣới khi xẩy ra các lỗi lƣới không đối
xứng.
- Nghiên cứu, khảo sát các tƣơng tác qua lại giữa hệ thống PĐCSG với lƣới
khi xẩy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng
- Từ đó đƣa ra các quyết định khi đầu tƣ vào hệ thống PĐCSG
5. Cấu trúc luận văn.
Luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng và không đối xứng
Chƣơng 2: Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép
Chƣơng 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ
nguồn kép
Chƣơng 4: Mô phỏng một số chế độ lỗi lƣới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
CHƢƠNG 1
MÔ HÌNH HÓA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI
XỨNG.
1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình
thƣờng của lƣới điện
Nhƣ đã biết, tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một
vi phân, nhƣng những phƣơng trình vi phần này thƣờng cồng kềnh và phức tạp.
Trƣớc tình hình đó, để giảm độ phức tạp của các phƣơng trình vi phân mô tả động
học của MPKĐBNK và lƣới thì các đại lƣợng ba pha nhƣ dòng điện, điện áp, từ
thông thƣờng đƣợc mô tả bởi các biến trên một hệ trục tọa độ hai pha mới. Hệ trục
tọa độ mới này có thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay
[17, 25]. Công cụ để chuyển đổi các đại lƣợng từ một hệ trục tọa độ cố định sang
một hệ trục tọa độ quay và ngƣợc lại là các phép biến đổi Clarke và Park[1, 24].
Động cơ dị bộ ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator đƣợc bố trí
nhƣ hình vẽ (1.1).Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lƣợng
ba pha có thể đƣợc biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thƣờng đƣợc gọi là hệ
trục tọa độ quay
dq
hai pha. Khi đó các tính toán đƣợc thực hiện với biên độ và góc
pha của chúng trên các hệ trục tọa độ
dq
này .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3 Đặt
s
là ký hiệu đặc trƣng cho các đại lƣợng ba pha. Giá trị tức thời của từng
trùng với
0
j0
e
nhƣ đƣợc biểu diễn trên hình 1.2. Khi đó: trong đó,
s
T
0
s s s s s0
s0
=
,
11
1
22
2 3 3
= 0 .
3 2 2
1 1 1
2 2 2
T
0 abc
s sf s
= (1.1)
T
Rotor
Stator
Pha B
Pha A
T
và
Trong trƣờng hợp tổng quát, nếu
là một hệ tọa độ cố định trong mặt phẳng
phức và
dq
là một hệ tọa độ mới với góc quay
f
(xem hình 1.2) thì
dq
s rf s
=
T
(1.2)
trong đó
T
s
s s s
s
=
T1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng.
Nhƣ chúng ta đã biết một hệ thống ba pha không đối xứng có thể đƣợc biểu
diễn bởi các phƣơng trình điện áp sau:
Các điện áp trên đƣợc biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định
nhƣ sau: trong đó:
a
abc b
c
u
u
u (t) = 2U sin( t )
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Tiếp theo, các đại lƣợng trên hệ trục tọa độ
có thể đƣợc biến đổi sang hệ
trục tọa độ quay
dq
nhƣ sau:
Từ các phƣơng trình (1.4) và (1.6) ta có thể viết đƣợc nhƣ sau:
Biến đổi phƣơng trình (1.7) ta đƣợc:
33
a
u (t)
sin cos
3
33
u (t)
0
22
d
j
d Hình1.2: a, Biểu diễn các đại lƣợng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định
b, Sự biến đổi giữa các hệ trục và
a)
b)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Thay phƣơng trình (1.3) vào phƣơng trình (1.8) ta có
sin( t )sin( ) = cos( t ) cos( t )
3 3 2 2 3
a a a
2 2 1 1 4
sin( t )sin( ) = cos( t ) cos( t )
3 3 2 2 3
ba
d
aa
q
aa
ba
c
22
ˆ
U cos( )sin( t )
ˆ
u (t)
U cos sin( t )
a
ca
22
)sin( t )
33
22
ˆ
U sin( )sin( t )
33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
4
ˆˆ
U sin( t ) U sin( t )
1
3
4
3
ˆˆ
U sin( t ) U cos( t )
3
4
ˆˆ
U sin( t ) U sin( t )
1
3
4
3
ˆˆ
U sin( t ) U cos( t )
3
q
a b c a
a a b a c a
a a b a c a
ˆ ˆ ˆ
u (t)
(U U U )sin( )
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos( )
44
ˆ ˆ ˆ
U sin(2 t ) U sin(2 t ) U sin(2 t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t )
33
u (t)
3
(U U U )cos( t )
a a b a c a
a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin( t ) U sin( t ) U sin( t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33
Nhƣ vậy khi hệ thống cân bằng
a b c
ˆ ˆ ˆ ˆ
U = U = U U
thì thành phần thứ hai của
phƣơng trình (1.9) bằng 0. Khi hệ thống mất cân bằng thì trong thành phần của
d
u
và
q
u
có cả các thành phần một chiều không đổi và thành phần thứ hai với tần số
biến đổi là
2
.
Phƣơng trình (1.4) có thể đƣợc áp dụng cho cả hệ thống ba pha cân bằng và
không cân bằng. Đối với hệ thống ba pha không cân bằng, các điện áp trên hệ trục
tọa độ
có thể đƣợc phân tích thành các thành phần thứ tự thuận và ngƣợc nhƣ
sau: Các chỉ số
t
và
n
a a b a c a
aa
aa
44
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t )
33
4
U cos 2 t 2cos 2 t cos
3
U cos 2 t 2cos 2 t 0
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
(1.13)
a
n
d
b
n
q
c
11
(1.14)
Biến đổi các phƣơng trình (1.13) và (1.14) ta đƣợc
a
t
d
b
t
q
c
22
u (t)
cos cos( ) cos( )
u (t)
2
33
= u (t)
u (t)
22
3
sin sin( ) sin( )
u (t)
33
u (t)
2
33
= u (t)
u (t)
22
3
sin sin( ) sin( )
u (t)
33
(1.16)
ˆ ˆ ˆ
U sin( t ) U sin( t ) U sin( t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33
t
t
d
t
t
q
u (t)
u (t)
cos sin
=
u (t)
u (t)
sin cos
1.12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
n
a b c a
d
n
q
a b c a
U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33
Nếu ta chọn trục tọa độ
d
nằm trùng với pha A thì
=t
và khi đó các
phƣơng trình trên có dạng đơn giản hơn nhƣ sau:
1.3 Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng.
Từ phƣơng trình (1.3) và định nghĩa cuả hệ thống 3 pha đối xứng ta có phƣơng
trình điện áp:
a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin(2 t ) U sin(2 t ) U sin(2 t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t
1.17
)
33
n
a b c a
d
n
q
3
ˆ ˆ ˆ
U cos( ) U cos( ) U
1.1
cos( )
33
8
aa
ba
ca
U (t) 2Usin t
2
U (t) 2Usin t
3
2
U (t) 2Usin t
3
aa
'
ba
'
ca
U (t) 2U sin t
2
U (t) 2U sin t
3
2
U (
1.20
t) 2U sin t
3
Thay phƣơng trình (1.20) vào phƣơng trình (1.15) và (1.16) ta có
t
'''
d
a
Vì đây là hệ thống ba pha đối xứng nên thành phần thứ tự nghịch (3 thành
phần quay ngƣợc lại của 3 pha) sẽ luôn lệch pha nhau 120
0
nên cộng lại bằng 0.
Kết luận chƣơng 1:
- Nghiên cứu mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng
' ' '
a a a
' ' '
a a a
44
Usin( t ) Usin( t ) Usin( t )
1
33
(1.20)
44
3
Ucos( t ) Ucos( t ) Ucos( t )
33
2.1. Đặt vấn đề.
Máy phát là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cung
cấp điện, nó có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng cơ năng thành điện năng. Các loại
máy phát có thể sử dụng nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều
đồng bộ, máy phát điện xoay chiều không đồng bộ…. Trong những năm gần đây
ngƣời ta đã phát triển và sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép.
Lý do sử dụng của máy phát không đồng bộ nguồn kép:
* Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện
một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy nó có thể làm việc một cách tin cậy hơn
với giá thành và chi phí bảo dƣỡng thấp. Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ
rotor dây quấn có thể đƣợc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của
rotor hoặc đƣa thêm hay thu hồi công suất, đƣợc gọi là công suất trƣợt ở rotor.
Các máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nhƣ vậy đƣợc gọi là máy phát
điện không đồng bộ nguồn kép DFIG (doubly-fed induction generator).
Hiện nay ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép với nhiều cải tiến và mang lại hiệu quả tốt hơn. MPKĐBNK có Stator ghép trực
tiếp vào lƣới, còn phía Rotor đƣợc nối với lƣới qua thiết bị điều khiển (hình 2.1).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Copyright: Tài liệu đại học ©