Luan Van Mau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

BKTP.HCM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP:

ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG CẤP NGUỒN TỪ HAI PHÍA

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng

MSSV: 40400160

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2010

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

i

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng gửi lời cám ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:

Thầy Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp

các tài liệu cần thiết em trong suốt thời gian làm luận văn.

Các thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ những

kiến thức vô giá cho em trong suốt thời gian học đại học.

Cuối cùng, em rất biết ơn bố mẹ và anh chị đã chăm lo, cám ơn bạn bè đã ủng hộ

em hoàn thành luận văn này.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010.

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................i

MỤC LỤC....................................................................................................................... ii

Mục lục hình ...................................................................................................................iv

Ký hiệu dùng trong luận văn ..........................................................................................vi

Tóm tắt luận văn .......................................................................................................... viii

Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ. .................................. 1

1.1 Năng luợng gió. .................................................................................................. 1

1.1.1 Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn. ......... 1

1.1.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam. ................................................. 2

1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. ................................................................ 2

1.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. .................. 2

1.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. ............................................ 3

1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định. ....................................................... 4

1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất. ........... 5

1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất. ........ 5

1.3 Tốc độ gió và công suất của turbine. ................................................................. 6

1.3.1 Mật độ gió. .................................................................................................. 6

1.3.2 Hiệu suất turbine gió. .................................................................................. 8

1.3.3 Đường cong công suất turbine gió. ........................................................... 10

Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG. ............................................................. 14

2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG. ............................................ 14

2.2 Sơ đồ DFIG ở chế độ xác lập. .......................................................................... 16

2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG ................................................................... 18

2.4 Điều khiển máy phát DFIG. ............................................................................. 20

2.5 .Điều khiển tối ưu công suất turbine gió. ......................................................... 22

2.5.1 Điều khiển tối ưu TSR (Tip – Speed – Ratio). .......................................... 22

2.5.2 Điều khiển bám công suất đỉnh. ................................................................ 24

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG DFIG. ............................................. 26

3.1 Vectơ không gian và các phép biến đổi. .......................................................... 26

iii

3.1.1 Vectơ không gian. ..................................................................................... 26

3.1.2 Công suất trong vectơ không gian. ........................................................... 27

3.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ........................................................................ 29

3.1.3.1 Chuyển đổi abc và αβ. ........................................................................... 29

3.1.3.2 Chuyển đổi αβ và dq. ............................................................................. 30

3.2 Mô hình toán học của DFIG. ........................................................................... 31

3.2.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. .............................................................. 31

3.2.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. .............................................................. 35

3.3 Mô hình mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink. ............................................ 37

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN DFIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT. ........................ 41

4.1 Điều khiển trượt. .............................................................................................. 41

4.1.1 Luật điều khiển. ......................................................................................... 41

4.1.2 Hiện tượng dao động tần số cao. ............................................................... 43

4.2 Điều khiển hai thành phần công suất của DFIG bằng phương pháp trượt. ..... 45

4.2.1 Hai thành phần công suất DFIG trong hệ dq định hướng áp. ................... 45

4.2.2 Điều khiển trượt công suất thông qua điều khiển dòng rotor. .................. 49

4.2.2.1 Phương trình trạng thái của hệ thống DFIG. ......................................... 49

4.2.2.2 Luật điều khiển. ..................................................................................... 52

Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ. ...................................................... 57

5.1 Sơ đồ mô phỏng. .............................................................................................. 57

5.2 Kết quả mô phỏng. ........................................................................................... 61

5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định. .................................................... 61

5.2.2 Kết quả khảo sát tính bền vững của luật điều khiển. ................................ 67

Chương 6: KẾT LUẬN. .............................................................................................. 72

6.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn. ...................................................... 72

6.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ................................................ 72

Tài Liệu Tham Khảo ...................................................................................................... 73

Phụ Lục .......................................................................................................................... 75

iv

Mục lục hình

Hình 1.1: Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện. .......................................................................................................................... 2 Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định ................................................................ 4 Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát ........... 5 Hình 1.4: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor..... 6 Hình 1.5: Đồ thị mật độ xác suất của các vận tốc gió trung bình 5.4 m/s (nét liền), 6.8 m/s (nét đứt), 8.2 m/s (nét chấm). ................................................................................... 7 Hình 1.6: Góc pitch của cánh quạt gió. ........................................................................... 8 Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor .......................................................................... 10 Hình 1.8: Đường cong hiệu suất rotor Cp(,β) .............................................................. 11 Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine ..................... 12 Hình 1.10: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió. ........................................ 13 Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía. ...................................... 14 Hình 2.2: Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ. ....................... 15 Hình 2.3: Đặc tính moment – tốc độ của máy phát DFIG ............................................ 16 Hình 2.4: Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác lập .................................................. 16 Hình 2.5: Sự phân bố công suất (bỏ qua tổn thất) của DFIG ........................................ 19 Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG ........................ 21 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ (TSR) .................................................. 23 Hình 2.8: Đường cong công suất turbine ...................................................................... 24 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh .......................................... 25 Hình 3.1: Nguyên lý vector không gian ........................................................................ 26 Hình 3.2: Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ .......................................................... 29 Hình 3.3: Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq ............................. 30 Hình 3.4: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y ......................................................... 31 Hình 3.5: Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor .... 32 Hình 3.6: Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha ........................ 33 Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ .................... 35 Hình 3.8: Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq ................................... 36 Hình 3.9: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ ................................................................................................ 37 Hình 3.10: Mô hình mô phỏng DFIG trên hệ tọa độ αβ................................................ 38 Hình 3.11: Các khối chuyển hệ tọa độ điện áp từ abc sang αβ ..................................... 38 Hình 3.12: Các khối tính dòng và từ thông. .................................................................. 39 Hình 3.13: Khối tính momen và ωr ............................................................................... 39 Hình 3.14: Các khối chuyển hệ tọa độ αβ sang abc. ..................................................... 40 Hình 4.1: Quỹ đạo trạng thái ở chế độ trượt (n=2) ....................................................... 42 Hình 4.2: Hàm Signum .................................................................................................. 43 Hình 4.3: Hiện tượng dao động tần số cao. ................................................................... 44

v

Hình 4.4: Hàm Saturation. ............................................................................................. 45 Hình 4.5:Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới. .................................. 46 Hình 4.6:Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện. ....................................................................................................................................... 47 Hình 4.7:Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện trở stator. ........................................................................................................................ 48 Hình 4.8:Sơ đồ biểu diễn trạng thái của hệ thống điều khiển DFIG. ............................ 52 Hình 4.9: Tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển được trang bị với khâu Saturation. ........... 56 Hình 4.10: a) Thêm cực vào trước khâu tính đạo hàm tạo ra hàm truyền hợp thức b)Tín hiệu nấc được lọc trước khâu tính đạo hàm ......................................................... 56 Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt.......................................... 57 Hình 5.2: Nguồn 3 pha đối xứng cung cấp cho mạch stator ......................................... 58 Hình 5.3: Chuyển đổi abc - dq ...................................................................................... 58 Hình 5.4: ABC-TO-DQ ................................................................................................. 59 Hình 5.5: Tính toán từ thông, công suất và momen ...................................................... 59 Hình 5.6: Luật điều khiển trượt ..................................................................................... 60 Hình 5.7: DQ-TO-ABC ................................................................................................. 60 Hình 5.8: Tính toán F1,F2 ............................................................................................. 61 Hình 5.9: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng rotor ..................................................... 63

Hình 5.10: Đáp ứng của e

dri và e

qri theo tín hiệu đặt. ................................................... 63

Hình 5.11: Các mặt trượt S1 và S2. ................................................................................ 64 Hình 5.12: Công suất Ps, Qs và Mômen Te. ................................................................... 65 Hình 5.13: Dòng và áp stator ........................................................................................ 66 Hình 5.14: Dòng và áp rotor ......................................................................................... 66 Hình 5.15: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện trở stator và rotor lên 20% ....................... 69 Hình 5.16: Đáp ứng hệ thống khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20% ................. 70 Hình 5.17: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện cảm và hỗ cảm ......................................... 71

vi

Ký hiệu dùng trong luận văn

asv , bsv , csv Điện áp 3 pha a,b,c của stator

arv , brv , crv Điện áp 3 pha a,b,c của rotor

svα , svβ Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ αβ

dsv , qsv Hai thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ dq

rvα , rvβ Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ αβ

drv , qrv Hai thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq

asi , bsi , csi Dòng điện 3 pha a,b,c của stator

siα , siβ Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ

dsi , qsi Hai thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq

ari , bri , cri Dòng điện 3 pha a,b,c của rotor

riα , riβ Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ αβ

dri , qri Hai thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ dq

asψ , bsψ , csψ Từ thông ba pha a,b,c của stator

sαψ , sβψ Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ αβ

dsψ , qsψ Hai thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq

rαψ , rβψ Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ αβ

drψ , qrψ Hai thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq

sP , sQ , sS Công suất tác dụng, phản kháng, biểu kiến phía stator

mT , eT Momen cơ và momen điện

β Góc picth λ Tip – Speed – Ratio σ Hệ số từ thông tản

sω , rω Tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor

p Số cặp cực ρ Mật độ không khí

pC Hiệu suất rotor

rθ , eθ Góc vị trí stator và rotor

J,s Momen quán tính, hệ số trượt

vii

Chỉ số đi kèm

ref,* Viết ở trên, bên phải: giá trị đặt s,e Viết ở trên, bên phải: đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ ,dq d,q Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục d,q α,β Viết ở dưới, bên phải: thành phần trục α, β s,r Viết ở dưới, bên phải: đại lượng stator, rotor

viii

Tóm tắt luận văn

Luận văn tìm hiểu tổng quan về các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. Đi sâu tìm hiểu về mô hình toán, mô phỏng và điều khiển máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG) ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Mô hình mô phỏng của DFIG được xây dựng trong hệ tọa độ αβ.

Các phương trình toán của DFIG sử dụng trong hệ thống điều khiển được tính trên hệ tọa độ dq định hướng theo vectơ điện áp lưới. Mục tiêu điều khiển là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator. Việc điều khiển độc lập hai thành phần công suất này có ý nghĩa là điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối ưu công suất nhận được từ gió, điều khiển độc lập công suất phản kháng để ổn định hệ thống điện. Trên hệ tọa độ dq đinh hướng theo vectơ điện áp lưới mục tiêu điều khiển độc lập hai thành phần công suất tương đương với điều khiển hai thành phần dòng điện

dri , qri phía rotor.

Hệ thống điều khiển DFIG được thiết kế dùng phương pháp điều khiển trượt, với những ưu điểm sau: đáp ứng nhanh, không vọt lố, bền vững trong các điều kiện làm việc khác nhau.

Chương 1: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằng Trang 1

Chương 1: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG GIÓ.

1.1 Năng luợng gió.

1.1.1 Giới thiệu về phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn. Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra do mặt trời đốt nóng khí

quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và xoay quanh trục của nó, do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Từ xa xưa, con người đã biết lợi dụng sức gió để phục vụ cho nhu cầu cuộc sống của mình. Thuyền buồm chạy bằng sức gió, cối xay gió, hệ thống đưa nước lên đồng ruộng bằng sức gió… là những máy biến đổi năng lượng gió sơ khai nhất.

Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sạch, bảo vệ môi trường. Lĩnh vực sử dụng năng lượng gió để phát điện năng đang được quan tâm rất nhiều trên thế giới như một nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn. Là một nguồn năng lượng năng lượng tái tạo thích hợp để thay thế cho năng lượng khoáng sản ( than đá, dầu mỏ, khí đốt …) đang dần cạn kiệt, nằm trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về năng lượng gió trên thế giới.

Quá trình biến đổi năng lượng gió thành điện năng được thực hiện bằng một hệ thống bao gồm 3 thành phần: khí động học, cơ và điện. Cánh quạt và turbine nhận năng lượng từ gió, biến đổi thành năng lượng cơ, đưa vào máy phát. Máy phát sẽ biến đổi năng lượng cơ này thành điện năng. Điện năng này có thể được sử dụng trực tiếp, lưu trữ hay hòa vào mạng điện.

Những thuận lợi:

• Đầu tiên, phát điện từ gió không gây ô nhiễm môi trường. Mặc dù, có một số ảnh hưởng về tiếng ồn và quang cảnh, phát điện từ gió giúp giảm ô nhiễm không khí so với sử dụng các nguồn năng lượng khác, không gây hiệu ứng nhà kính.

• Năng lượng gió là nguồn năng lượng vô tận, chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu, bảo trì và vận hành, không tốn chi phí nhiên liệu.

• Vị trí lắp đặt đa dạng hơn thủy điện, có thể lắp đặt ở những đảo, vùng núi, nơi lưới điện quốc gia không đến được. Đáp ứng nhu cầu năng lượng cho những nơi này.

• Giá thành thấp. Với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng sức gió, giá thành không còn là vấn đề như những thập niên trước. Giờ đây, giá điện từ gió rẻ hơn giá điện từ những nguồn khác như than, dầu hay biomas…

Những khó khăn:



• Công suất phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ gió. Nên chỉ lắpđặt được ở những vùng có sức gió tương đối cao, nhằm tăng hiệu quả đầu tư. Và do tốc độ gió không ổn định nên công suất phát ra cũng không ổn định.

• Các turbine gió gây tiếng ồn và làm đảo lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của một số loài chim hoang dã, làm nhiễu xạ sóng truyền thanh và truyền hình.

• Chịu đựng kém trong các điều kiện gió bão, việc bảo vệ an toàn cho các turbine gió khá phức tạp.

Nhưng với sự phát triển của kỹ thuật phát điện bằng năng lượng gió những năm gần đây, những khó khăn đã được tháo gỡ phần lớn. Mức sử dụng năng lượng gió trên thế giới ngày càng nhiều. Số liệu thống kê vào 04/2005 cho thấy mức sử dụng năng lượng gió của một số quốc gia trên thế giới: Đức 16.628 MW, Tây Ban Nha 8.263 MW, Mỹ 6.752 MW, Đan Mạch 3.118 MW, Ấn Độ 2.983 MW, Pháp 390 MW.

1.1.2 Tiềm năng về năng lượng gió ở Việt Nam. Việt Nam có một bờ biển dài với sức gió hàng năm lớn, vô cùng thuận lợi cho việc

phát triển năng lượng gió. Theo các kết quả khảo sát, Việt Nam là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á với 513.360 MW. Hai vùng giàu tiềm năng nhất là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió ở hai nơi này có vận tốc trung bình lớn (6 m/s) và ổn định có thể xây dựng các turbine gió công suất lên đến 5MW.

Hiện nay, nhà máy điện gió đầu tiên của Việt Nam tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, Bình Thuận sắp phát điện. Nhà máy gồm 5 turbine, cao 92m, 3 cánh quạt, mỗi cánh dài 37.2m, đạt công suất 1.5 MW/turbine. Và các công ty của Đức đã được nhà nước cấp phép đầu tư lĩnh vực phát điện sức gió, và ở Hải Phòng nhà máy chế tạo turbine gió đầu tiên của Việt Nam đã được thành lập. Lĩnh vực phát điện sức gió ở Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển mạnh mẽ.

1.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

1.2.1 Các thành phần của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Hình 1.1: Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với

lưới điện.



Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm:

- Turbine gió: có hai loại trục dọc và trục ngang. Turbine dạng trục ngang với ưu điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi có công suất lớn.

- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên cao. Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các bộ phận cơ khí…Cấu trúc tháp bằng bêtông hoặc thép, có tính toán tần số cộng hưởng khi đưa hệ thống vào hoạt động.

- Hộp truyền động (Gear box): Máy phát thường có tốc độ định mức khoảng 1000 – 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30 – 50 rpm. Vì vậy hộp truyền động được sử dụng để tương thích hai cấp tốc độ này.

- Máy phát điện: Hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện điều sử dụng máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng. Một số hệ thống làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cữu. Máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG) với nhiều ưu điểm trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió đang là máy phát được sử dụng phổ biến nhất.

- Bộ biến đổi công suất: được sử dụng để khởi động, hòa đồng bộ, điều khiển, và bảo vệ máy phát kết nối lưới điện. Bộ biến đổi công suất là linh hồn của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện.

- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: Các máy biến áp được sử dụng để kết nối với lưới điện.

- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển, và giám sát máy phát. Nhằm tối ưu công suất nhận được từ gió, bảo vệ toàn hệ thống khỏi sự cố. Hệ thống này bao gồm các cảm biến đo hướng gió, tốc độ gió…Được thiết kế làm việc với mức an toàn và tin cậy cao để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn.

1.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với tuabin gió tốc độ cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó không có khả năng hấp thu công suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự dao động sẽ gây nên sự dao động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thốnglàm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy



phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể được hấp thu bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế. Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi turbine gió có thể được cải thiện hơn so với turbine gió tốc độ cố định.

Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số điện, điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của turbine theo vận tốc máy phát.

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:

• Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ.

• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ.

• Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía.

1.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định.

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được kết nối trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện như hình 1.2.

Hình 1.2: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với định mức



và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng công suất thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát không đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểm chính:

• Không thể điều khiển công suất tối ưu.

• Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột.

• Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control).

1.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biển đổi toàn bộ công suất.

Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát không đồng bộ (IG) hoặc máy phát đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu công suất nhận được từ gió, nhưng do phải biến đổi toàn bộ công suất phát ra nên tổn hao lớn cũng như chi phí đầu tư cho bộ biến đổi công suất tăng lên.

Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất phát

1.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất.

Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được nối thông qua một bộ biến đổi công suất dạng back to back như hình 1.9. Ngày nay, cấu hình này trở nên rất thông dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của toàn bộ công suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử công suất giảm xuống đáng kể so với cấu hình



biến đổi toàn bộ công suất phát, thêm vào đó chi phí đầu tư cho thiết bị biến đổi công suất cũng thấp hơn.

Hình 1.4: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía rotor

1.3 Tốc độ gió và công suất của turbine.

1.3.1 Mật độ gió.

Do vận tốc gió luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết và địa hình. Nên để đánh giá tiềm năng gió người ta thường tính vận tốc gió trung bình, từ đó người ta có thể tính năng lượng kỳ vọng nhận được ở một vùng cụ thể. Do vận tốc gió thường thay đổi theo mùa và có xu hường lặp lại với chu kỳ một năm sau đó, nên vận tốc gió trung bình được xác định cho khoảng thời gian một năm.

Sự thay đổi vận tốc gió được mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Hàm mật độ xác suất được sử dụng phổ biến để miêu tả vận tốc gió là hàm Weibull. Phân bố Weibull được miêu tả: /

(1.1)

Trong đó, k: hệ số hình dạng, c: hệ số tỷ lệ, : là tốc độ gió. Từ đó, vận tốc gió trung bình ( hay vận tốc gió kỳ vọng) được tính như sau:

ω ω∞

fωdω ωkc∞

ωc e ωdω (1.2)

Với Γ là hàm gamma Euler !" ∞

#$! (1.3)

Chương 1: Hệ thống chuyể


Vận tốc gió trung bình

Nếu, phân bố Weibull tr

Hệ số tỷ lệ được tính v

2k = , 1

2π

Γ =

Từ phân bố Rayleigh ta vm/s;6,8 m/s ; 8,2 m/s (hình 1.5

Hình 1.5: Đồ thị mật độ

ển đổi năng lượng gió. GVHD: PGS.TS D

ng

c gió trung bình được tính như sau:

1c

k kω

= Γ

Weibull trở thành phân bố Rayleigh.

( )2

2

2 cf ec

ωω

ω

− =

c tính với vận tốc gió trung bình cụ thể từ phươ

2

c ωπ

=

Rayleigh ta vẽ được đồ thị mật độ xác suất của các t6,8 m/s ; 8,2 m/s (hình 1.5)

xác suất của các vận tốc gió trung bình 5.4 m/s (nét li

m/s (nét đứt), 8.2 m/s (nét chấm).

GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Trang 7

(1.4)

(1.5)

phương trình (1.4), cho

(1.6)

a các tốc độ gió 5,4

c gió trung bình 5.4 m/s (nét liền), 6.8



1.3.2 Hiệu suất turbine gió.

Trước khi khảo sát hiệsau :

- Rb: Chiều dài của cánh gió.- rb: Bán kính của cánh gió, kho

của turbine. - ω: tốc độ gió mặt, t- ω0: tốc độ gió lưng, t- AR: diện tích quét c- β: góc pitch góc gi

Hình

Năng lượng thực tế (hay công suđộ chênh lệch động năng cđộng năng của gió ở phía tr


ng

t turbine gió.

ệu suất của turbine gió, một số định nghĩa đ

a cánh gió. a cánh gió, khoảng cách từ mặt cắt ngang củ

t, tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn phía trướưng, tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn sau khi ra kh

n tích quét của cánh gió. : góc pitch góc giữa đường cung và mặt phẳng xoay.

Hình 1.6: Góc pitch của cánh quạt gió.

(hay công suất cơ) Pmech lấy được từ gió bởi cánh quăng của tích trữ trong gió ở phía trước cánh quphía trước cánh quạt có vận tốc ω0.


Trang 8

ĩa được đưa ra như

ủa cánh gió đến trục

ớc cánh quạt. n sau khi ra khỏi cánh gió.

i cánh quạt turbine là c cánh quạt có vận tốc ω, và



Công suất cơ này phụ thuộc vào diện tích quét của cánh gió, và tỷ lệ với lập phương vận tốc gió.

31

( , ) ( )2mech R pP A C Wρ λ β ω=

(1.7)

Với: Cp: Hệ số công suất của turbine gió.

ρ : mật độ không khí kg/m3.

λ : Tỉ số tốc độ gió mặt và gió lưng

Với một vận tốc gió cho trước, giá trị của Cp phụ thuộc vào λ . Được tính như sau: C& 12 1 ) *1 + *, (1.8)

Để tìm hiệu suất cực đại của rotor ta lấy đạo hàm: $-.$* 12 1 + 2* + 3*, (1.9)

Giải phương trình 01203 0 . Ta được * +1 (loại vì ω, ω0 > 0) và * 5. Vậy giá trị

lớn nhất của Cp là: -.678 12 91 ) 13: 91 + 19: 1627 > 0.593 (1.10)

Giá trị lý thuyết Cpmax chỉ ra rằng turbine không thể lấy nhiều hơn giá trị 59,3% công suất gió hiện hữu (giới hạn Betz – Albert Betz’s Law ). Đây là giới hạn công suất có thể nhận được từ gió. Từ đó, ta có thể vẽ đường cong hiệu suất rotor ở hình 1.6

Nhận xét: Nếu rotor quay quá chậm thì gió dễ dàng thổi xuyên qua khe hở giữa các cánh gió, khi đó > . Ngược lại khi rotor quay quá nhanh thì sẽ tạo thành một tường chắn gió. Ta thấy, tốc độ của rotor ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gió mặt và gió lưng. Nói cách khác nó ảnh hưởng đến giá trị của Cp. Do đó, Cp là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor. Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến của rìa cánh quạt với tốc độ gió mặt – TSR ( Tip Speed Ratio). * ABC

(1.11)

Với trường hợp turbine gió tốc độ thay đổi,công suất đầu ra của máy phát có thể được giới hạn bằng cách thay đổi góc pitch (β) của cánh gió. Để có thể lấy được công suất tối ưu từ gió, tốc độ rotor được điều khiển theo tốc độ của gió. Nhưng khi tốc độ gió



quá cao ( giông, bão…), áp lực ly tâm cơ khí lên cánh quạt tăng lên đến giới hạn của vật liệu phải chịu đựng, ta phải cho ngừng rotor để bảo vệ cho hệ thống.

Hình 1.7: Giới hạn của hiệu suất rotor

1.3.3 Đường cong công suất turbine gió.

Trên thực tế, hiệu suất của rotor không những phụ thuộc vào λ mà còn phụ thuộc vào góc pitch của cánh quạt gió β [rad] xoay quanh trục của chính nó. Nên hầu hết các turbine gió điều trang bị thiết bị điều khiển pitch. Điều này, càng làm cho việc xác định hàm Cp trở nên phức tạp. Nhà chế tạo thường cho giá trị của Cp là một hàm theo

λ , β với mỗi loại turbine. Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng của đường công hiệu suất rotor được cho bởi công thức (1.12) và có dạng đồ thị như hình 1.8

22.5

116( , ) 0.22( 0.4 5) i

p

i

C eλλ β β

λ

−

= − −

(1.12)

Giá trị iλ được cho bởi quan hệ:



Hình

Trên đồ thị hình 1.8, giá tr

có tỷ số giữa tốc độ gió m

Bây giờ ta khảo sát sựgió thay đổi. Với một turbine turbine gió chỉ phụ thuộc vào t

Với 21

2 bm Rρπ= là hằng s

Vậy ứng với một tốc đđầu ra. Hình 1.9 thể hiện công sunhau.


ng

3

1 1 0.035

0.08 1λ λ β β= −

+ +

Hình 1.8: Đường cong hiệu suất rotor Cp( ,β)

, giá trị max của Cp là giá trị tối ưu Cpopt, vớ

gió mặt và tốc độ gió lưng tối ưu poptλ .

ự phụ thuộc của công suất đầu ra của turbine vt turbine ở điều kiện không khí không đổi thì công su

c vào tốc độ gió mặt và hệ số công suất Cp

3 31

( , )2mech R p pP A C mCρ λ β ω ω= =

ng số

c độ gió cho trước tốc độ của turbine sẽ quyn công suất đầu ra với các vận tốc gió và tố


Trang 11

1 1 0.035

0.08 1

(1.13)

,β)

ới góc β cố định ta sẽ

a turbine với các tốc độ i thì công suất ra của

p:

3 3mech R p pP A C mCρ λ β ω ω

(1.14)

quyết định công suất ốc độ turbine khác



Hình 1.9: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ turbine

Nhận xét: Muốn đạt được công suất lớn nhất với tốc độ gió đã cho thì tốc độ rotor phải được điều khiển phù hợp với tốc độ gió để duy trì giá trị tối ưu của Cp (hình 1.8) . Hơn nữa, khi tốc độ gió quá chậm hay quá nhanh rotor cần các chế độ không làm việc hoặc ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các thiết bị khác tránh trường hợp quá tải. Sẽ dẫn tới gãy turbine hay hư hỏng các thiết bị công suất.

Việc điều khiển tốc độ rotor có thể thực hiện bằng hệ thống cơ ( điều chỉnh góc pitch của cánh gió) hoặc bằng các phương pháp điều khiển tốc độ bằng điện.

Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại turbine gió là đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra. Thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng. Thể hiện ở hình 1.10. Các thông số trong đó:

• Vận tốc gió Cut-in (Vc): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất.

• Vận tốc gió định mức (VR): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR , công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế. Khi lớn hơn VR thì cần phải điều chỉnh để hệ thống turbine lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.



• Vận tốc gió Cut-out (hệ thống turbine ctrúc cơ khí khác, trong tr

Hình 1.10:

Đa số các turbine gió tốc đtốc độ nhỏ hơn định mức, turbine gió nhất. Khi tốc độ gió trên đhợp với phương pháp điềrộng hơn.


ng

out (VF): Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các c

hí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không.

: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió

c độ thay đổi điều được trang bị bộ điều khic, turbine gió điều khiển góc pitch để tạo ra công su

gió trên định mức cần điều khiển góc pitch để bảo vều khiển tốc độ turbine gió bằng điện để có dãi


Trang 13

t đến ngưỡng VF thì máy phát và các cấu ng không.

a turbine gió.

u khiển góc pitch. Khi o ra công suất tối ưu

o vể turbine gió. Kết có dãi điều chỉnh

Chương 2:Hệ thống máy phát DFIG. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa


Chương 2: HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG.

Máy phát DFIG được xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi. Bời vì bộ biến đổi công suất được đặt bên phía rotor nên chỉ biến đổi 20 – 30% tổng công suất phát, làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn. Vấn đề duy nhất là khó điều khiển hơn.

2.1 Máy điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía DFIG.

DFIG thực chất máy điện không đồng bộ rotor dây quấn. Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sử dụng DFIG thì stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch rotor được nối với một bộ biến đổi công suất (back-to-back inveter )thông qua vành trượt như hình 2.1. Một tụ điện DC-link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng.

Hình 2.1: Cấu trúc máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía.

Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu cực rotor để bảo vệ quá dòng và tránh quá điện áp trong mạch DC-link. Khi xảy ra tình trạng quá dòng, thiết bị crowbar sẽ ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển của bộ converter và cho phép DFIG làm việc như một máy điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ năng lượng từ lưới.

Trong thực tế, điện áp định mức của mạch rotor thường nhỏ hơn điện áp định mức bên phía mạch stator nên máy biến áp nối giữa DFIG và lưới điện sẽ có ba cuộn dây.



Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source Converter) có biên độ và tần số thay đổi, thường sử dụng linh kiện điện tử công suất IGBT. Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể được mô phỏng như hình 2.2, có thể xảy ra hai trường hợp:

• Gió thổi cánh quạt turbine quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ (hệ số trượt dương, s > 0 ), máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor (hình 2.2a)

• Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, đó là chế độ vận hành trên đồng bộ (hệ số trượt âm, s < 0 ) và máy phát hoàn năng lượng về lưới qua rotor (hình 2.2b).

Hình 2.2: Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở 2 chế độ.

Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở hai chế độ trên, bộ biến đổi công suất ở cả hai phía, máy phát RSC và phía lưới GSC (hình 2.1) đều phải là nghịch lưu có khả năng điều khiển dòng công suất theo hai chiều (bi-directional).

Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức PQ, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng về lưới (điều này ngược với máy điện không đồng bộ thông thường). Trên hết, công suất phản kháng trao đổi giữa DFIG và lưới điện có thể được điều khiển độc lập với công suất thực.

Bộ converter phía máy phát RSC cho ta các thuận lợi sau:

• Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (trong trường hợp lưới yếu).

• Có thể hoàn toàn kích từ DFIG thông qua mạch rotor, độc lập với điện áp lưới.

Chương 2:Hệ thống máy phát DFIG.

SVTH: Nguyễn Lê Huy Bằn

• Khả năng điều khinhư điều khiển mômen, tcực stator.

Trong khi đó, mục đích chính cDC-link không đổi.

Máy phát DFIG có thểmaxrω±∆ so với tốc độ đ

máy phát DFIG.

Hình 2.3:

2.2 Sơ đồ DFIG ở chế

Sơ đồ tương đương của DFIG có tính này được xét ở trạng thái xác lqui đổi về mô hình tương đươ

Hình 2.4

Nếu điện áp rotor Vr được nmạch điện tương đương nguyên th

ng máy phát DFIG. GVHD: PGS.TS D

ng

u khiển độc lập công suất tác dụng và công suấn mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ

đích chính của bộ converter phía lưới GSC là

ể làm việc với tốc độ rotor thay đổi trong đ

đồng bộ ω1. Hình 2.3 thể hiện đặc tính moment

: Đặc tính moment – tốc độ của máy phát DFIG

độ xác lập.

a DFIG có tính đến tổn hao mạch từ được cho ng thái xác lập, dây quấn nối Y. Trong trường hợương đương Y, phương pháp jω được sử dụng cho các tính toán.

4: Sơ đồ tương đương DFIG ở chế độ xác l

c nối ngắn mạch thì mạch điện tương đương DFIG trđương nguyên thủy của máy điện không đồng b


Trang 16

ất phản kháng, cũng ệ số công suất đầu

i GSC là để giữ cho điện áp

i trong đổi khoảng

c tính moment – tốc độ của

a máy phát DFIG

c cho ở hình 2.4. Sơđồ ợp dây quấn ∆ có thể

ng cho các tính toán.

xác lập

đương DFIG trở về ng bộ rotor lồng sóc.



Áp dụng các định luật Kirchoff cho mạch điện tương đương hình 2.4 ta được DE BEFE ) GEHIEFE ) GEH6FE ) FA ) FJ6

DAK BAK FA ) GEHIAFA ) GEH6FE ) FA ) FJ6 (2.1)

0 B6FJ6 ) GEH6FE ) FA ) FJ6

Trong đó:

Vs : Ảnh phức điện áp stator Rs : Điện trở stator

Vr : Ảnh phức điện áp rotor Rr : Điện trở rotor

Is : Ảnh phức dòng điện stator Rm : Điện trở từ hóa

Ir : Ảnh phức dòng điện rotor Lls : Điện cảm rò stator

IRm : Ảnh phức điện áp stator Llr : Điện cảm rò rotor

ωs : tốc độ đồng bộ Lm : Điện cảm từ hóa

s0 : độ trượt ωsl : tốc độ trượt

ωr : tốc độ rotor

Độ trượt được tính bằng :

K E + AE EIE (2.2)

Từ thông khe hở không khí, stator và rotor lần lượt: L6 H6FE ) FA ) FJ6 LE HIEFE ) H6FE ) FA ) FJ6 HIEFE )L6 (2.3) LA HIAFA ) H6FE ) FA ) FJ6 HIAFA )L6

Thay các đại lượng của hệ phương trình (2.3) vào (2.1) ta được: DE BEFE ) GELE

DAK BAK FA ) GELA (2.4)

0 B6FJ6 ) GEL6

Tổn hao và mômen điện từ được tính theo các biểu thức: M#N 3BE|FE|, ) BA|FA|, ) B6|FJ6|, (2.5) PQ 3RF6SL6FATU 3RF6SLAFATU (2.6)



2.3 Sự phân bố công suất trong DFIG

Để nghiên cứu phân bố công suất của hệ thống DFIG, công suất biểu kiến cấp cho DFIG thông qua mạch stator và rotor được xác định như sau:

Công suất biểu kiến cuộn stator Ss và rotor Sr được tính như sau:

VE 3DEFET 3BE|FE|, ) G3EHIE|FE|, ) G3EL6FET (2.7)

VA 3DAFET 3BA|FA|, ) G3KEHIA|FA|, ) G3EL6FAT (2.8)

Kết hợp với các phương trình ở trên ta có thể viết lại như sau:

VE 3BE|FE|, ) G3EHIE|FE|, ) G3E |L6|,H6 ) 3B6|FJ6|, + G3EL6FAT (2.9)

VA 3BA|FA|, ) G3KEHIA|FA|, ) G3EL6FAT (2.10)

Giả thuyết bỏ qua tổn hao đồng trong mạch stator, rotor và tổn hao từ trễ, công suất tác dụng của stator và rotor được tính gần đúng như sau:

ME BSVEU 3BE|FE|, ) 3B6|FJ6|, ) 3EFWSL6FATU > 3EFWSL6FATU (2.11)

MA BSVAU 3BA|FA|, + 3KEFWSL6FATU > +3KEFWSL6FATU (2.12)

Từ giả thuyết trên, công suất cơ được xác định bằng tổng công suất tác dụng của cuộn stator và rotor:

M6QN 3EFWSL6FATU + 3KEFWSL6FATU 3AFWSL6FATU (2.13)

Suy ra:

ME 11 + K M6QN , MA + K1 + K M6QN (2.14)

Từ đây ta rút ra nhận xét, sự phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor của máy phát DFIG phụ thuộc vào hệ số trượt. Công suất qua mạch rotor (qua bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng công suất cuộn stator nhân với hệ số trượt, còn được gọi là công suất trượt.

r sP sP= − (2.15)



Ta có sơ đồ phân bố công suất như hình 2.5.

Hình 2.5: Sự phân bố công suất (bỏ qua tổn thất) của DFIG

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều: từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor, Pr < 0, ở chế độ dưới đồng bộ và ngược lại từ mạch rotor qua bộ biến đổi công suất đến lưới, Pr > 0, ở chế độ trên đồng bộ. Trong cả hai trường hợp trên, mạch stator đều phát công suất về lưới, Ps > 0.

Như vậy, khi hệ thống biến đổi năng lượng gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ ∆ω = ±30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s = ± 0.3, thì công suất định mức của bộ biến đổi công suất chỉ cần được thiết kế bằng 20% - 30% so công suất định mức của máy phát. Định mức của bộ biến đổi công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ được chọn, chi phí cho bộ biến đổi công suất vì thế tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi tốc độ cho phép tăng hay giảm.

Thí dụ về sự phụ thuộc của công suất mạch stator và rotor vào hệ số trượt cho trong bảng sau:

Hệ số trượt s% Tốc độ rotor ωr, p.u Công suất rotor , Pr Công suất stator, Ps 0.3 0.7 -0.43Pm 1.43 Pm 0 1.0 0 Pm

-0.3 1.3 0.23Pm 0.77 Pm Bảng 2.1: Thí dụ về phân bố công suất stator và rotor với các hệ số trượt khác nhau



2.4 Điều khiển máy phát DFIG.

Mục tiêu của điều khiển máy phát DFIG bao gồm: điều khiển công suất tác dụng bám các điểm vận hành tối ưu của turbine nhằm tối ưu công suất thực nhận được từ gió hoặc để hạn chế công suất đầu vào, tránh quá tải cho máy phát khi tốc độ gió lớn và điều khiển công suất phản kháng trao đổi giữa máy phát DIFG và lưới điện nhắm nâng cao chất lượng phát điện, góp phần ổn định hệ thống điện. Mỗi một hệ thống turbine gió điều có chứa những hệ thống phụ (điện, cơ khí, và khí động học ) với các hằng số thời gian đáp ứng khác nhau, thời hằng của hệ thống điện thường nhỏ hơn rất nhiều so với thời hằng của các hệ thống cơ. Sự khác nhau về thời hằng càng rõ ràng khi điều chỉnh tốc độ do đó hệ thống điện càng phức tạp thì yêu cầu của hệ thống điều khiển cũng phức tạp theo. Hình 2.6 trình bày sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi trang bị máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía DFIG, trong đó có thể phân biệt hai kênh điều khiển như sau:

• Điều khiển máy phát DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng)

• Điều khiển tuabin gió

Kênh điều khiển máy phát DFIG bao gồm điều khiển bộ biến đổi công suất phía rotor RSC và điều khiển bộ biến đổi công suất phía lưới GSC.

Kênh điều khiển tuabin gió với đáp ứng động chậm hơn, bao gồm điều khiển tốc độ và điều khiển công suất đầu vào, giám sát luôn cả bộ phận chấp hành góc pitch (pitch angle actuator) của tuabin gió và giá trị setpoint cho công suất tác dụng của kênh điều khiển DFIG. Vì thế, nó cung cấp tín hiệu điều khiển βref trực tiếp cho bộ

chấp hành góc pitch và tín hiệu điều khiển công suất tác dụng MEAQY cho kênh điều khiển DFIG.



Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển tổng thể turbine gió tốc độ thay đổi DFIG

Hệ thống điều khiển tổng thể như hình 2.6 đòi hỏi thông tin các tín hiệu đo lường: công suất tác dụng ME6Q7 và công suất phản kháng ZE6Q7 (tại điểm M đầu cực stator hoặc trên lưới điện), điện áp [06Q7 trên DC-link, dòng điện qua bộ lọc \Y6Q7 (tại

điểm N), tốc độ máy phát A6Q7 và dòng điện rotor \A6Q7.

Kênh điều khiển máy phát có ba tín hiệu vào điều khiển như sau:

• Giá trị điều khiển công suất tác dụng, ME6Q7 thông tin này được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin gió.

• Giá trị điều khiển công suất phản kháng ZE6Q7 giá trị này có thể được gán bởi người vận hành. Chẳng hạn, trong trường hợp lưới yếu có thể yêu cầu DFIG phát công suất kháng để hỗ trợ điện áp lưới.

• Giá trị điều khiển điện áp DC-link [0AQY được quyết định bởi kích cỡ của bộ

converter, tỷ số điện áp stator - rotor và chỉ số điều chế của bộ biến đổi công suất.

Kênh điều khiển turbine tạo ra hai tín hiệu điều khiển:

• Giá trị điều khiển công suất tác dụng MEAQY là tín hiệu đặt (setpoint) cho kênh điều khiển DFIG, được tạo ra dựa trên thông tin là vận tốc đo lường của máy



phát A6Q7 và công suất đo lường ME6Q7 tại điểm M. Ví dụ, khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ gió định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách hiệu chỉnh vận tốc máy phát để tuabin nhận được công suất tối đa từ gió.

• Giá trị điều khiển βref được đưa trực tiếp đến cánh quạt tuabin, bộ chấp hành góc pitch sẽ thực thi như một phần của bộ điều khiển công suất. Giá trị này được tạo ra dựa trên thông tin công suất đo lường ME6Q7 và công suất định mức

mong muốn M]AQY (thường là giá trị danh định của tuabin được cho bởi nhà chế tạo).

Khi tốc độ gió thấp hơn giá trị định mức, công suất đầu ra chưa đạt đến giới hạn M]AQY ,kênh điều khiển tuabin sẽ giữ góc pitch trị số tối ưu và tạo ra giá trị điều khiển MEAQY cho kênh điều khiển DFIG nhằm đạt công suất tối đa, sau đó kênh điều khiển DFIG sẽ điều chỉnh tốc độ quay của máy phát để giữ cho công suất đầu ra theo giá trị điều khiển được cung cấp bởi kênh điều khiển tuabin.

Trong trường hợp tốc độ gió lớn hơn giá trị định mức, kênh điều khiển tuabin sẽ ra lệnh cho khâu chấp hành góc pitch hiệu chỉnh giá trị β để lượt bớt công suất và ra

lệnh cho kênh điều khiển DFIG hiệu chỉnh giá trị điều khiển MEAQY bằng giá trị định

mức M]AQY ,kênh điều khiển DFIG do đó phải hiệu chỉnh tốc độ máy phát về một phạm vi được định trước.

2.5 .Điều khiển tối ưu công suất turbine gió. Hiệu suất rotor đạt giá trị cực đại ở mỗi trị số λ cụ thể phụ thuộc vào thiết kế động

học của từng loại tuabin. Do đó, tốc độ quay của máy phát cần phải được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió nhằm duy trì λ tối ưu.

2.5.1 Điều khiển tối ưu TSR (Tip – Speed – Ratio).

Theo cách này, tốc độ gió được đo lường liên tục. Trên cơ sở dữ liệu gió đo được, tốc độ máy phát sẽ được điều chỉnh để tối ưu λ theo từng giá trị tốc độ gió và do đó có thể đạt công suất đầu ra tối ưu, sơ đồ nguyên lý được cho ở hình 2.7. Quá trình điều khiển được dựa vào đường cong công suất tuabin hình 2.8.



Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tối ưu λ (TSR)

Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn giá trị Vc , tuabin gió không làm việc vì công suất đầu ra không đáng kể để thắng được ma sát của hệ thống truyền động và cũng để tránh quá dòng cho máy phát.

Khi tốc độ gió đầu vào lớn Vc và công suất phát ra nhỏ hơn công suất danh định, tốc độ rotor được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của vận tốc gió để giữ cho λ bằng hằng số tương ứng với giá trị cực đại của Cp . Vùng làm việc này được gọi là miền Cp cực đại.

Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt đến giá trị danh định (công suất định mức theo thiết kế của máy phát). Khi đó, tốc độ rotor được điều chỉnh để làm việc với λ sao cho Cp nhỏ hơn giá trị tối ưu và tuabin gió được vận hành ở công suất danh định tránh quá tải cho máy phát. Vùng làm việc này được gọi là miền công suất không đổi.

Khi tốc độ gió đầu vào tăng lớn hơn VF , tuabin gió được ngắt ra để bảo vệ máy phát và các bộ phận cơ khí khác.



Hình 2.8: Đường cong công suất turbine

2.5.2 Điều khiển bám công suất đỉnh.

Nguyên lý của phương pháp này là tìm cực trị của công suất P theo ω , tức là:

$M$ 0 (2.16)

Thuận lợi của phương pháp này là không yêu cầu xác định tốc độ gió. Theo nguyên lý này, tốc độ rotor được tăng hoặc giảm với các số gia nhỏ, công suất đầu ra được đo lường liên tục, trên cơ sở đó tính toán tỷ số ∆P/∆ω . Nếu tỷ số này dương, nghĩa là có thể nhận thêm công suất từ gió bằng cách tăng tốc độ của rotor. Mặt khác, nếu tỷ số này âm, công suất phát sẽ giảm nếu ta thay đổi tốc độ. Tốc độ của rotor được duy trì sao cho ∆P/∆ω gần giá trị 0, sơ đồ nguyên lý như hình 2.9

Tóm lại, để tối ưu công suất nhận được từ gió thì tốc độ của rotor phải được điều chỉnh phù hợp với mỗi tốc độ gió đầu vào. Cả hai chiến lược này đều nhằm mục đích đạt được tương quan P – Cp tối ưu.



Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh

Chương 3: Mô hình toán và mô phỏng DFIG. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa


Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG DFIG.

3.1 Vectơ không gian và các phép biến đổi.

3.1.1 Vectơ không gian.

Cho đại lượng ba pha cân bằng na, nb và nc, tức thõa mãn hệ thức sau:

^7 ) ^C ) ^ 0 (3.1)

Phép biến đổi từ các đại lượng ba pha sang đại lượng véctơ không gian ns được định nghĩa theo hệ thức:

Ê ^7 ) _^C ) _,^ (3.2)

Hình 3.1: Nguyên lý vector không gian

Trong đó:

_ a,b +12 ) G √32 (3.3)

Việc sử dụng vector không gian là để mô phỏng máy điện theo hai pha thay vì ba pha để đạt sự phân lập tương đối giữa các biến và giảm tính phức tạp của hệ phương trình mô tả. Đại lượng ba pha na,b,c có thể là dòng điện, điện áp hoặc từ thông của máy điện xoay chiều.

\E \7 ) _\C ) _,\ dE d7 ) _dC ) _,d (3.4)



LE L7 ) _LC ) _,L

k được gọi là hệ số tỷ lệ của véctơ không gian, có thể chọn với những trị số khác nhau:

- ,5, ta có phép biến đổi giữ nguyên biên độ.

- k = 1 , phép biến đổi có biên độ lớn hơn 1.5 lần.

- e,5, phép biến đổi bảo toàn công suất, tức là khi áp dụng cùng một phép

biến đổi cho cả hai đại lượng áp và dòng thì ta được quan hệ M7C Mfg.

Như vậy, nếu đại lượng xoay chiều ba pha cân bằng và có dạng sin thì véctơ không gian có biên độ không đổi và quay với vận tốc góc tương ứng với tần số của nguồn cung cấp. Trong các trường hợp khác, véctơ không gian có biên độ và vận tốc quay thay đổi phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng pha.

Một cách tổng quát, véctơ không gian có thể được biểu diễn theo hệ thức:

Ê ^f ) G^g h6a#ij (3.5)

Trong đó, θ [rad ] là góc dịch pha và ω [rad /s ] là vận tốc góc của véctơ quay.

Cũng có thể qui đổi véctơ không gian về hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ (hệ trục dq ) theo biểu thức:

^Q ^0Q ) G^kQ a#Ê (3.6)

Các chỉ số trên “s ” và “e ” lần lượt biểu thị cho véctơ không gian được qui về hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh αβ gắn với stator của máy điện không đồng bộ và hệ trục tọa độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ.

Hệ trục tọa độ đồng bộ dq phải được định hướng theo một véctơ nào đó, thường là véctơ từ thông rotor hoặc stator của máy điện không đồng bộ. Tuy nhiên, cũng có thể định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới. Trong hệ trục dq , hai thành phần của véctơ không gian sẽ là đại lượng DC ở trạng thái xác lập.

3.1.2 Công suất trong vectơ không gian.

Công suất tác dụng tức thời của hệ thống ba pha được cho bởi hệ thức:



M7C d7\7 ) dC\C ) d\ 23, BSdE\ETU (3.7a)

Công suất tác dụng bằng phần thực của véctơ điện áp nhân cho liên hợp phức của véctơ dòng điện. Tương tự, công suất phản kháng được tính bởi hệ thức:

Z7C 23, FWSdE\ETU (3.7b)

Ta có thể chứng minh các hệ thức này, sử dụng phương trình (3.5) ta có:

dE\ET ldf\f ) dg\gm ) Gldg\f + df\gm (3.8)

Suy ra:

M7C 23, BSdE\ETU 23, ldf\f ) dg\gm 23, Mfg (3.9a)

Z7C 23, FWSdE\ETU 23, ldg\f + df\gm 23, Zfg (3.9b)

Mặt khác, triển khai phương trình (2.4) theo các thành phần trục thực và trục ảo, thu được

df 9d7 + 12dC + 12d: , dg n√32 dC + √32 do

\f 9\7 + 12 \C + 12 \: , dg n√32 \C + √32 \o

Suy ra:

Mfg df\f ) dg\g 32,d7\7 ) dC\C ) d\ 32 ,M7C

Hay M7C ,5p Mfg , ta được điều cần chứng minh (3.9a), do đó ta được (3.7a).

Chứng minh (3.7b) hoàn toàn tương tự.

Chương 3: Mô hình toán và mô ph


3.1.3 Các phép chuyển h

3.1.3.1 Chuyển đổi abc v

Bằng cách triển khai các véctảo, ta có phép biến đổi từđộ tĩnh stator. Trong đó, trvà sớm pha so với trục α

Hình 3

Ta được phép chuyển đổi t

Với ma trận chuyển đổi đư

Phép biến đổi ngược từ αβ

Mô hình toán và mô phỏng DFIG. GVHD: PGS.TS D

ng

n hệ tọa độ.

i abc và αβ.

n khai các véctơ không gian theo các thành phần theo trừ đại lượng ba pha abc sang đại lượng αβ

đó, trục α trùng với trục dây quấn pha a , còn tr như hình 3.2

3.2: Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ

i từ đại lượng ba pha abc sang αβ :

[0 0s

abcn C nαβ αβ =

i được cho bởi:

0

1 11

2 2

2 3 31 0

3 2 21 1 1

2 2 2

Cαβ

− −

=

αβ sang abc :

[ ]1

0 0s

abcn C nαβ αβ

− =


Trang 29

n theo trục thực và trục gắn với hệ trục tọa

, còn trục β vuông góc

αβ

]abc (3.10)

1 1

2 2

2 3 3

3 2 21 1 1

2 2 2

− −

(3.11)



q-fgr 23 stttu 1 0 1+12 √32 1+12 +√32 1vw

wwx

Các phép biến đổi (3.10) và (3.11) còn được biết với tên gọi khác là phép biến đổi Clark (Clark’s transformation).

3.1.3.2 Chuyển đổi αβ và dq.

Mối liên hệ giữa véctơ trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục tọa độ dq đang quay với tốc độ đồng bộ ωs được cho bởi hệ thức:

Ê ^Qajy (3.12a) ^Q Ê ajy (3.12b)

Trong đó: zE E! Triển khai các véctơ trong (3.12a) và (3.12b) theo thành phần trục thực và trục ảo:

Ê ^fE ) G^gE , ^Q ^0Q ) G^kQ , ajy KzE ) GK\^zE

Hình 3.3: Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq

Ta được phép chuyển đổi αβ sang dq :

Chương 3: Mô hình toán và mô ph


Phép biến đổi ngược từ dq

3.2 Mô hình toán học c

3.2.1 Mô hình DFIG trên h

Các giả thiết khi xét máy đ

• Các cuộn dây stator và rotor dây quấn stator và rotor gi

• Khe hở không khí đ

• Bỏ qua các tổn hao dòng qu

• Không xét đến hiệ

• Hiện tượng móc vòng tbản. Dòng từ hóa và t

• Hệ phương trình thu từ thông. Mômen hài ch

Hình 3

Xuất phát từ phương trình rotor dây quấn:

Mô hình toán và mô phỏng DFIG. GVHD: PGS.TS D

ng

cos sin

sin cos

e s

d s s

e ss sq

n n

n n

α

β

θ θ

θ θ

= −

dq sang αβ :

cos sin

sin cos

es

ds s

ess s q

nn

nn

α

β

θ θ

θ θ

− =

c của DFIG.

Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ.

t khi xét máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấ

n dây stator và rotor được bố trí một cách đối xứng vn stator và rotor giả thiết được kết nối theo cấu hình

không khí đồng nhất.

n hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ.

ện tượng bão hòa vật liệu từ.

ng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xảy ra vhóa và từ trường phân bố dạng sin trên bề mặt khe t

ình thu được trên cơ sở sóng cơ bản của các đạthông. Mômen hài chưa được quan tâm.

3.4: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y –

ình điện áp pha stator và rotor của máy điện không


Trang 31

(3.13)

(3.14)

ấn:

ng về mặt không gian, u hình Y – Y như hình 3.4.

y ra với sóng hài cơ t khe từ.

ại lượng dòng, áp và

Y

n không đồng bộ



d7E BE\7E ) $L7E$! , dCE BE\CE ) $LCE$! , dE BE\E ) $LE$! (3.15)

d7A BA\7A ) $L7A$! , dCA BA\CA ) $LCA$! , dA BA\A ) $LA$! (3.16)

Sử dụng công thức (3.4), ta có phương trình điện áp stator theo ký hiệu véctơ không gian:

dEE BE\EE ) $LEE$! (3.17)

Tương tự, phương trình điện áp rotor theo ký hiệu véctơ không gian được viết trong hệ trục tọa độ tự nhiên của chính nó:

dAA BA\AA ) $LAA$! (3.18)

Hình 3.5: Sơ đồ tương đương RL trong hệ trục tọa độ tự nhiên của stator và rotor

Các đại lượng rotor được biểu diễn trong hệ trục αβ tương đối phức tạp hơn do bản thân rotor đang quay trong hệ trục stator. Các đại lượng rotor được quy về cùng hệ trục tọa độ αβ gắn với stator theo tỷ số vòng dây kT và góc chuyển đổi θr như hình 3.6.

dAE |ajydAA

\AE ajy| \AA (3.19)

LAE |ajyLAA

BAE |,BA



Hình 3.6: Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha

kT = Ns/Nr là tỷ số vòng dây stator và rotor.

θr(t) là góc vị trí của rotor tính theo độ điện [elec.rad ], zA! A!# $! ) zA0 ωr là vận tốc góc của rotor [elec.rad/s].

Thay (3.19) vào (3.18), lưu ý:

$LAA$! 1|$$! lLAE aj~m aj~| 9$LAE$! + GALAE:

Ta được:

dAE BA\AE + GALAE ) $LAE$! (3.20)

Véctơ từ thông trong hệ tọa độ αβ:

LEE HE\EE ) H6\AE LAE H6\EE ) HA\AE (3.21)

Viết lại (3.21) dưới dạng ma trận

LEELAE HE H6H6 HE \EE\AE (3.22)

Trong đó:



Lm - điện cảm từ hóa [H ]

Ls - điện cảm dây quấn stator, Ls = Lls + Lm

Ls - điện cảm dây quấn rotor đã quy về phía stator, Lr = Llr + Lm

Lls , Llr lần lượt là điện cảm tản dây quấn stator và rotor

Ghi chú: Các giá trị điện trở và điện cảm sử dụng trong các biểu thức từ đây về sau được ngầm hiểu là đã qui đổi về phía stator.

Dây quấn ba pha stator và rotor DFIG được giả thiết kết nối theo cấu hình Y, vì thế không xuất hiện thành phần không. Bằng cách triển khai các phương trình (3.17) (3.20) và (3.22) theo hai thành phần trục α và β , bổ sung thêm phương trình mômen điện từ ta thu được hệ phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu tĩnh αβ , có mạch điện tương đương như hình 3.7.

Phương trình điện áp stator:

dfEE BE\fEE ) $LfEE$!

dgEE BE\gEE ) $LgEE$! (3.23)

Phương trình điện áp rotor:

dfAE BA\fAE ) ALgAE ) $LfAE$!

dgAE BA\gAE + ALfAE ) $LgAE$! (3.24)

Từ thông móc vòng:

stttuLfEELgEELfAELgAE vww

wx HIE ) H60H600HIE ) H60H6

H60HIE ) H600H60HIE ) H6 stt

tu\fEE\gEE\fAE\gAE vwwwx (3.25)

Mômen điện từ:



PQ 32RlLgAE \fAE +LfAE \gAE m 32 RlLfEE \gEE +LgEE \fEE m 32 RH6l\fAE \gEE + \gAE \fEE m (3.26)

Trong đó: p: số cặp cực từ

Hình 3.7: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ

3.2.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq.

Mối liên hệ giữa véctơ điện áp, dòng điện, từ thông trong hệ tọa độ αβ và dq bằng cách áp dụng công thức (3.12):

dEE dEQay# , \EE \EQay# , LEE LEQay# Thay vào (3.17) và rút gọn ta được phương trình điện áp stator: dEQ BE\EQ ) GELEQ ) $LEQ$!

(3.27)

Bằng cách biến đổi tương tự, ta có phương trình điện áp rotor: dAQ BA\AQ ) GE + ALAQ ) $LAQ$! (3.28)



Véctơ từ thông biểu diễn theo các véctơ dòng điện: LEQLAQ HE H6H6 HE \EQ\AQ (3.29)

Hình 3.8: Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq

Triển khai các phương trình (3.27), (3.28) và (3.29) theo các thành phần trục d và trục q cùng với phương trình mômen, ta được hệ phương trình đầy đủ mô tả DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq đang quay với tốc độ đồng bộ và có mạch điện tương đương được cho ở hình 3.9.

Phương trình điện áp stator: d0EQ BE\0EQ + ELkEQ ) $L0EQ$!

dkEQ BE\kEQ ) EL0EQ ) $LkEQ$! (3.30)

Phương trình điện áp rotor: d0AQ BA\0AQ + E + ALkAQ ) $L0AQ$!

dkAQ BA\kAQ ) E + AL0AQ ) $LkAQ$! (3.31)

Từ thông móc vòng:



sttuL0EQLkEQL0AQLkAQ vw

wx HIE ) H60H600HIE ) H60H6

H60HIE ) H600H60HIE ) H6 st

tu\0EQ\kEQ\0AQ\kAQ vwwx (3.32)

Mômen điện từ: PQ 32RlLkAQ \0AQ +L0AQ \kAQ m 32 RlL0EQ \kEQ +LkEQ \0EQ m 32 RH6l\0AQ \kEQ + \kAQ \0EQ m (3.33)

Hình 3.9: Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq

quay với tốc độ đồng bộ

3.3 Mô hình mô phỏng DFIG trên Matlab/Simulink. Xây dựng các phương trình (3.23), (3.24), (3.25), (3.26) trên matlab/simulink ta được mô hình mô phỏng DFIG trong hệ tọa độ αβ như sau:



Hình 3.10: Mô hình mô phỏng DFIG trên hệ tọa độ αβ.

Hình 3.11: Các khối chuyển hệ tọa độ điện áp từ abc sang αβ



Hình 3.12: Các khối tính dòng và từ thông.

Hình 3.13: Khối tính momen và ωr



Hình 3.14: Các khối chuyển hệ tọa độ αβ sang abc.

Chương 4: Điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa


Chương 4: ĐIỀU KHIỂN DFIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT.

4.1 Điều khiển trượt.

4.1.1 Luật điều khiển.

Đối tượng điều khiển: Xét hệ phi tuyến được biểu diễn bởi phương trình vi phân:

( ) ( 1) ( 1)( , , , ..., ) ( , , , ..., )n n n

y f y y y y g y y y y u− −= +

(4.1)

Đặt các biến trạng thái:

( 1)

1 2 3( ) ( ), ( ) ( ), ( ) ( ),..., ( ) ( )n

nx t y t x t y t x t y t x t y t−= = = =

(4.2)

Ta có biểu diễn trạng thái của hệ thống phi tuyến:

1 2

2 3

1

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )n

x t x t

x t x t

x t f x g x u t

y t x t

=

= = +

=

(4.3)

Mục tiêu điều khiển: xác định luật điều khiển u (t) sao cho tín hiệu ra y(t) bám theo tín hiệu đặt r(t).

Định nghĩa mặt trượt (Sliding surface):

( 1) ( 2) ( 3)

2 3 1 0( ) ...n n n

n nS t e a e a e a e a e− − −

− −= + + + + + (4.4)

Với e(t) là tín hiệu sai lệch:

( ) ( ) ( )e t y t r t= − (4.5)

Các hệ số trong biểu thức (4.4) được chọn trước để cho đa thức đặc trưng của phương trình vi phân (4.6) có tất cả các nghiệm với phần thực âm.



( 1) ( 2) ( 3)

2 3 1 0... 0n n n

n ne a e a e a e a e− − −

− −+ + + + + = (4.6)

Khi đó, nếu ( ) 0S t = thì sai lệch ( ) 0e t → khi t →∞

Phương trình ( ) 0S t = xác định một mặt cong trong không gian n chiều được gọi là

mặt trượt như hình 4.1.

Thay (4.2) và (4.5) vào (4.4), ta được:

( 1) ( 2) ( 3)2 1 0 1 2 3 1 0... ( ... )n n n

n n n n nS x a x a x r a r a r a r a r− − −

− − − −= + + + − + + + + + (4.7)

Ta phải xác định luật điều khiển u(t) để đưa quĩ đạo trạng thái của hệ thống về mặt trượt trong một khoảng thời gian hữu hạn (Reaching mode) và duy trì trên mặt trượt (Sliding mode) một cách bền vững đối với các biến động của f(x) và g(x).

Lấy đạo hàm (4.7) và sử dụng (4.2), ta có:

( 1)

2 1 3 0 2( ) ( ) ( ) ... ( ) ( )n

n nS f x g x u a x r a x r a x r−

−= + + − + + − + − (4.8)

Hình 4.1: Quỹ đạo trạng thái ở chế độ trượt (n=2)

Luật điều khiển: Để luật điều khiểnluôn đưa được quỹ đạo pha của hệ thống về mặt trượt S(t) = 0. Phải thoã mãn điều kiện



Nếu ( ) 0S t > thì ( ) 0S t <

Nếu ( ) 0S t = thì ( ) 0S t =

Nếu ( ) 0S t < thì ( ) 0S t >

Ta có thể chọn hàm sign để đảm bảo điều kiện này:

( )S ksign S= − (4.9)

Trong đó, k là hằng số dương được chọn trước và hàm Signum được định nghĩa:

1, 0

( ) 0, 0

1, 0

khi

sign khi

kh

s

s si

s s

s

γ

γ γ

γ

>

= =− <

(4.10)

Hình 4.2: Hàm Signum

Từ đó, luật điều khiển được xác định:

( 1)2 1 3 0 2

1( ) ( ) ... ( ) ( ) ( )

( )n

n nu f x a x r a x r a x r ksign S

g x

−

− = − + − + + − + − +

(4.11)

4.1.2 Hiện tượng dao động tần số cao.

Trong thực tế, các khâu chấp hành trong hệ thống điều khiển luôn có thời gian trễ. Hệ quả là tín hiệu điều khiển u(t) không thể thay đổi giá trị một cách tức thời khi quĩ đạo

pha vừa chạm mặt trượt để đảm bảo điều kiện (4.12), nếu S(t) = 0 thì ( ) 0S t = .Kết



quả là quĩ đạo pha sẽ vượt qua mặt trượt một đoạn và sẽ quay về mặt trượt sau đó khi u(t) thay đổi giá trị theo (4.11). Quá trình được lặp lại và kết quả là quĩ đạo pha dao động quanh mặt trượt. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng dao động tần số cao như minh họa ở hình 4.3, gây ra các hiệu ứng không mong muốn như:

• Phát sinh sai số điều khiển.

• Làm phát nóng mạch điện tử.

• Mài mòn các bộ phận cơ khí.

• Kích hoạt các mode tần số cao không mô hình hóa trước đó, làm giảm chất lượng điều khiển hoặc mất ổn định.

Hình 4.3: Hiện tượng dao động tần số cao.

Để khắc phục hiện tượng dao động tần số cao ta có thể thực hiện các cách sau:

• Giảm biên độ của tín hiệu điều khiển u(t) bằng cách giảm hệ số k trong (4.10). Tuy nhiên, điều này làm giảm tính bền vững của hệ thống điều khiển đối với sai số của mô hình.

• Thay đổi hàm Signum bởi hàm Saturation như dưới đây

1, 1

( ) , 1 1

1, 1

s s

s s

khi

sat khi

s skhi

γ

γ γ γ

γ

>

= − < <− < −

(4.13)



Việc thay hàm Signum bởi hàm Saturation nhằm mục đích giảm sự thay đổi tức thời.

Hình 4.4: Hàm Saturation.

4.2 Điều khiển hai thành phần công suất của DFIG bằng phương pháp trượt.

4.2.1 Hai thành phần công suất DFIG trong hệ dq định hướng áp.

Ở đây, DFIG được điều khiển trong hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq định hướng tựa theo véctơ điện áp lưới (Line voltage orientation), có trục d trùng với vị trí véctơ điện áp như trình bày ở hình 4.5. Sự định hướng hệ trục dq theo véctơ điện áp lưới được định nghĩa bằng hệ thức:

, 0e e

ds s qssv u v= = (4.14)



Hình 4.5:Định hướng hệ trục tọa độ dq theo vectơ điện áp lưới.

Công suất biểu kiến tức thời đầu cực stator s s sS P jQ= + được cho bởi:

*3

2e e

s s sS v i =

(4.15)

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời được suy lần lượt từ (4.15):

*3 3

Im ( )2 2

e e e e e e

s s s ds ds qs qsP v i v i v i = = + (4.16a)

*3 3

Re ( )2 2

e e e e e e

s s s qs ds ds qsQ v i v i v i = = −

(4.16b)

Một khi DFIG đã được hòa đồng bộ và kết nối với lưới điện (giả thiết đã thực hiện trước đó), mục tiêu tiếp theo là điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu cực stator DFIG, như minh họa ở hình bên dưới.



Hình 4.6:Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator máy phát và lưới điện.

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (thường có giá trị bé với các máy phát công suất lớn). Khi ở trạng thái xác lập, thành phần đạo hàm trong biểu thức (3.27) triệt tiêu, dẫn đến:

ee e e ess s s s s s s

dv R i j j

dt

ψω ψ ω ψ= + + ≈

(4.17)

Nghĩa là véctơ điện áp và véctơ từ thông stator vuông góc với nhau. Ta có giản đồ véctơ không gian như hình 4.7.

0,e e e

ds qs ssψ ψ ψ= = (4.18)



Hình 4.7:Giản đồ vectơ điện áp lưới và vectơ từ thông stator ở xác lập khi bỏ qua điện

trở stator.

Từ biểu thức (4.14) và (4.18):

0e e e

ds s ds m drL i L iψ = + ≈

e e e e

qs s qs m qr sL i L iψ ψ= + =

Rút ra:

e emds dr

s

Li i

L= −

(4.19a)

1

( )e e e

qs qs m qr

s

i L iL

ψ= − (4.19b)

Khi đó công suất tác dụng, công suất phản kháng và mômen điện từ được viết lại



3 3

2 2e e em

s ds ds s dr

s

LP v i v i

L= = −

(4.20a)

3 3

2 2

e

q se e ems d s qs s qr

s s

LQ v i u i

L L

ψ = − = − −

(4.20b)

3

2e em

e q s d r

s

LT p i

Lψ=

(4.21)

Từ đây, ta rút ra các nhận xét:

• Véctơ từ thông stator e

sψ luôn đứng vuông góc với véctơ điện áp lưới us nếu

điều kiện (4.17) thỏa và có biên độ cũng do us quyết định (do lưới điện quyết định).

• e e

qs sψ ψ= có module là hằng số vì /e

s s suψ ω= ( us và ωs lần lượt là điện áp

và tần số lưới điện được xem như không đổi). Theo (4.20a) và (4.21) công suất

tác dụng và mômen chỉ phụ thuộc thành phần dòng điện e

dri , nên e

dri chính là

đại lượng điều khiển công suất tác dụng đầu cực stator hoặc điều khiển mômen.

• Công suất phản kháng chỉ phụ thuộc thành phần dòng điện e

q ri . Vì vậy, có thể

sử dụng e

q ri làm đại lượng điều khiển công suất kháng đầu cực stator (hoặc hệ

số công suất). Trong thực tế, máy phát điện gió thường có công suất lớn, xấp xỉ (4.4) luôn thỏa. Vì

thế, ta có thể sử dụng các thành phần dòng điện rotor e

dri và e

qri như đã phân tích ở

trên để làm biến trạng thái điều khiển đối tượng. Quá trình điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng được thực hiện bằng cách tác động lên điện áp rotor (do thiết bị điều khiển - bộ biến đổi công suất nằm bên phía rotor) thông qua hiệu chỉnh hai thành phần dòng điện rotor.

4.2.2 Điều khiển trượt công suất thông qua điều khiển dòng rotor.

4.2.2.1 Phương trình trạng thái của hệ thống DFIG.

Để thuận tiện cho việc xây dựng luật điều khiển, ta khử các biến trung gian là dòng

điện stator e

si và từ thông stator e

sψ , giữ lại dòng điện rotor

e

ri và từ thông rotor e

rψ

trong các phương trình (4.22a) và (4.22b).

e e e

r r r m sL i L iψ = + (4.22a)



e e e

s s s m sL i L iψ = +

(4.22b)

Thu được

ee er rs r

m m

Li i

L L

ψ= − +

(4.23a)

( )e e es r ss m r s

m m

L L LL i

L Lψ ψ= − +

(4.23b)

Thay (4.8a) và (4.8b) vào (4.2a) và (4.2b) ta được:

( ( ) ) ( ) ( )e e

e e es r s s s r sr r rs s m s r s r m

m m m m m m

L L R L L L LL di dv j L R i j L

L L L L L dt L dt

ψω ω ψ= − − + + + − +

(4.24)

( )e

e e e rr r r s r r

dv R i j

dt

ψω ω ψ= + − +

Để rút gọn hệ thức ta đặt:

1

s rm

m

L La L

L= − , 2

r

m

La

L= , 3

s

m

La

L= , 4

s

m

Ra

L=

Ta được:

1 2 4 3 1 3( ) ( )

e ee e e r rs s s r s r

di dv j a a R i a j a a a

dt dt

ψω ω ψ= − + + + +

(4.25)

( )e

e e e rr r r s r r

dv R i j

dt

ψω ω ψ= + − +

Bằng các phép biến đổi và đặt 3 2

51 1

r s

a aa R R

a a= + ta được:

3 345

1 1 1 1

( ) ( )ee

e e esrs r r r r

a v adi aa j i j v

dt a a a aω ω ψ= − + + + −

(4.26)

( )e

e e err r s r r r

dR i j v

dt

ψω ω ψ= − − − +



Triển khai hệ phương trình (4.11) dưới dạng các thành phần trục d và q , ta thu được hệ phương trình vi phân:

3 345

1 1 1 1

e ee e e e edr ds

dr s qr dr r qr dr

di a v aaa i i v

dt a a a aω ψ ωψ= + − + + −

3 34

51 1 1 1

e e

qr qse e e e e

s dr qr r dr qr qr

di va aai a i v

dt a a a aω ω ψ ψ= − + − − + −

(4.27)

( )e

e e edrr dr s r qr dr

dR i v

dt

ψω ω ψ= − + − +

( )e

qr e e e

r qr s r dr qr

dR i v

dt

ψω ω ψ= − − − +

Viết lại (4.12) dưới dạng ký hiệu ma trận:

34 15

1 1 31

3 4 15

1 1 1 3

100

10 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

s re e

ds ds

e e e

qs qs dss re e e

ds ds qs

e e

r s rqs qs

r r s

aa aa

a a aai i

ai i va ada

a a a avdt

R

R

ω ω

ω ωψ ψ

ω ωψ ψ

ω ω

− −

− − −= + +

− − − −

e

dr

e

qr

v

v

Đặt các véctơ biến trạng thái, véctơ tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu ra và các ma trận như sau:

Te e e e

ds qs ds dsx i i ψ ψ = ,

Te e

ds qsy i i = ,

Te e

s ds qsu v v = ,

Te e

r dr qru v v =

345

1 1

3 45

1 1

0 0

0 0

s r

s r

r s r

r r s

aaa

a a

a aaA

a a

R

R

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

−

− −= − −

− −

,

1

1

10

10

0 0

0 0

s

a

Ba

=

,

1

3

1

3

0

0

0 0

0 0

r

a

a

aB

a

−

−=

,1 0 0 0

0 1 0 0C

=

Khi đó, ta có biểu diễn trạng thái của hệ thống (4.12) như (4.13)



s( ) (t)+B ( ) ( )

( ) ( )s r r

x t Ax u t B u t

y t Cx t

= +

=

(4.28)

x là véctơ biến trạng thái, us và ur là véctơ biến vào, y là véctơ biến ra.

A là ma trận trạng thái của hệ thống, Bs và Br là ma trận vào, C là ma trận ra.

4.2.2.2 Luật điều khiển.

Từ biểu diễn trạng thái (4.28), T

e e

r dr qru v v = được chọn là tín hiệu vào điều khiển

vì thiết bị điều khiển (bộ biến đổi công suất) nằm bên phía rotor. T

e e

s ds qsu v v = là

tín hiệu vào không điều khiển được xem như nhiễu tác động lên hệ thống (nhiễu đo được). Ta có sơ đồ biểu diễn trạng thái như hình 4.6

Hình 4.8:Sơ đồ biểu diễn trạng thái của hệ thống điều khiển DFIG.

Nhận xét: Tốc độ rotor là đại lượng biến thiên theo thời gian (time varying). Tuy nhiên, dòng điện biến thiên nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ. Nên ma trận A trong biểu diễn trạng thái (4.28) có thể được xem như ma trận hệ số hằng trong vòng điều khiển dòng điện.

Mục tiêu điều khiển: Điều khiển tín hiệu ra ( )T

e e

dr qry t i i = bám theo tín hiệu đặt

( )T

ref ref

dr qrr t i i = cho trước.

Ta cần thiết kế luật điều khiển ( )T

e e

r dr qru t v v = để cho tín hiệu ra y(t) bám theo tín

hiệu đặt r(t) bằng phương pháp điều khiển trượt.

Sai số: Sai số điều khiển được định nghĩa: e(t) = y(t) –r(t)



Vậy ta có: edr

e ref

dr drie i i= − , e

qr

e ref

qr qrie i i= −

Suy ra: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )s s r r

e t y t r t Cx t r t CAx t CBu t CAx t CB u t r t= − = − = + + + −

Đạo hàm cấp 1 của e(t) xuất hiện tín hiệu vào điều khiển ur(t) . Như vậy, hệ thống

(4.13) với tín hiệu ra ( )T

e e

dr qry t i i = có bậc tương đối bằng 1 ( n =1 ).

Mặt trượt (Sliding surface): Một cách tổng quát, mặt trượt được biểu diễn bởi S(t) =

0, với

1

( ) ( )n

dS t e t

dtδ

−

= +

(4.29)

Từ nhận xét ở trên n=1 , nên mặt trượt được định nghĩa bằng sai số điều khiển

1

2

( )( ) ( ) ( ) ( )

( )

S tS t e t y t r t

S t

= = − =

(4.30)

Mặt trượt được chọn theo (4.15) hoàn toàn thỏa mãn điều kiện: S(t) không phụ thuộc

tường minh vào ur(t) nhưng ( )S t phụ thuộc tường minh vào ur(t) (bậc tương đối bằng

1). Đạo hàm của mặt trượt:

1

2

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )s s r r

S tS t e t y t r t CAx t CB u t CB u t r t

S t

= = − = + + − =

(4.31)

Trên mặt trượt, S1(t) = 0 , S2(t) = 0 thì tín hiệu sai lệch 0edsi

e → , 0eqsi

e →

Khi 1( ) 0S t ≠ , 2 ( ) 0S t ≠ , ta cần phải xác định luật điều khiển ( )e

drv t và ( )e

qrv t để cho

1( )S t và 2 ( )S t tiến về 0.

Để đưa quĩ đạo trạng thái của hệ thống tiến về mặt trượt trong một khoảng thời gian hữu hạn, 1( ) 0S t → , 2 ( ) 0S t → , và duy trì bền vững trên mặt trượt theo các đặc tính

mong muốn. Luật điều khiển ( )r

u t , phải được thiết kế để cho các điều kiện sau được

thỏa mãn:



Nếu ( ) 0S t > thì ( ) 0S t <

Nếu ( ) 0S t < thì ( ) 0S t <

Nếu ( ) 0S t = thì ( ) 0S t =

Như vậy luật điều khiển có thể được chọn:

( ) ( ( )), 1;2i i i

S t k sign S t si= − = (4.32)

Hay:

1, 0

( ) 0, 0 1;2

1, 0

i

i i

i

khi S

sign S khi S i

kh

s s

s s

i S

sss

s s

>

= = =− <

(4.33)

Trong đó, k1 và k2 là các hằng số dương được chọn trước, cân nhắc đến hai yếu tố:

• Trong thực tế, mô hình đều có sai số nên k1 và k2 phải đủ lớn để có thể lấn át được sai số mô hình nhằm duy trì tính bền vững của hệ thống điều khiển.

• Tuy nhiên, ta không chọn giá trị k1 , k2 quá lớn để tránh cho tín hiệu điều khiển

( )r

u t có biên độ lớn làm gia tăng hiện tượng chattering (dao động tần số cao).

Hàm Signum được định nghĩa:

1, 0

( ) 0, 0 1;2

1, 0

i

i i

i

khi S

sign S khi S i

kh

s s

s s

i S

sss

s s

>

= = =− <

Từ (4.31) và (4.32):

1 1

2 1

( )( ) ( ) ( ) ( )

( )s s r r

k sign SCAx t CB u t CB u t r t

k sign S

+ + − = −

Suy ra:

1 1

2 2

( )( )

( )r r s s

k sign SCB u CAx CB u r t

k sign S

− = − − + −

−



Nhận xét rằng,

3

1 3

3 1

1

0

0r

a

a aCB I

a a

a

− = = −

−

.Như vậy ma trận CBr không suy biến.

Luật điều khiển: Từ nhận xét ở trên, luật điều khiển trượt được suy ra

1 11

2 2

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )

e

dr

r r s s e

qr

vk sign Su t CB CAx t CB u t r t

k sign S v

−

= − + − + =

(4.34)

1 1

3

1 0( )

0 1r

aCB

a

− = −

,

345

1 1

3 45

1 1

s r

s r

aaa

a aCA

a aa

a a

ω ω

ω ω

−

= − − −

, 1

1 01

0 1sCBa

=

Đặt thêm biến trung gian F1 và F2 , với:

1

2s s

FCAx CB u

F

+ =

Ta tính được:

345

1 1 11

2 3 45

1 1 1

e

e e e e dsdr s qr dr qr

e

qse e e e

s dr qr dr qr

a vaa i i

a a aF

F va ai a i

a a a

ω ψ ψ

ω ψ ψ

+ − + +

= − + − − +

(4.35)

Sau cùng, luật điều khiển được viết lại

1 1 11

2 2 23

( )( )

( )

e ref

dr dr

r e ref

qr qr

v iF k sign Sa du t

F k sign Sa dtv i

= = − +

(4.36)

Giới hạn tín hiệu điều khiển:

Khi thiết kế luật điều khiển, tín hiệu điều khiển không thể có giá trị lớn tùy ý vì lý do các giới hạn của bộ converter và máy phát, trong trường hợp này là hai thành phần



ref

drv và ref

qrv của véctơ điện áp rotor từ ngõ ra của bộ điều khiển trượt. Vì vậy, tín hiệu

điều khiển phải được giới hạn (saturation) cho cả hai thành phần trục d và q để tránh ngõ ra từ bộ điều khiển trượt ra có giá trị quá lớn. Nghĩa là tín hiệu điều khiển phải

được giới hạn tương ứng giữa các giá trị ,mindrv và ,maxdrv , ,minqrv và ,maxqrv như hình

4.6.

Hình 4.9: Tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển được trang bị với khâu Saturation.

Lọc tín hiệu: Để tránh trường hợp đạo hàm không liên tục trong biểu thức (4.36) khi

các tín hiệu đặt ref

dri và ref

qri có sự thay đổi nấc. Ta có thể đặt một bộ lọc thông thấp cấp

1 trước khối tính đạo hàm trong sơ đồ điều khiển để tạo ra hàm truyền hợp thức (proper transfer function), s/(Ti+s) như hình 4.7a, với Ti là thời hằng của bộ lọc thông thấp. Thêm cực như vậy có tác dụng lọc tín hiệu trước khi nó được đạo hàm, hình 4.8b, đồng thời tránh sự tác động của nhiễu.

Hình 4.10: a) Thêm cực vào trước khâu tính đạo hàm tạo ra hàm truyền hợp thức

b)Tín hiệu nấc được lọc trước khâu tính đạo hàm

( )ref

d q ri

Chương 5: Sơ đồ mô phỏng và kết quả. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa


Chương 5: SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ.

5.1 Sơ đồ mô phỏng.

Sơ đồ điều khiển DFIG (điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator thông qua điều khiển hai thành phần dòng rotor) và các khối chức năng bên trong được trình bày ở bên dưới (hình 5.1), bao gồm các khối chính:

• Khối mô phỏng lưới điện nối trực tiếp với stator máy phát (POWER NETWORKS) hình 5.2

• Khối mô phỏng máy phát cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG) • Khối xác định vị trí góc của véctơ điện áp lưới và tính điện áp stator trên

hệ tọa độ dq (LA) hình 5.3 • Khối chuyển trục dòng điện stator và rotor từ abc sang dq (ABC-TO-

DQ) hình 5.4 • Khối ước tính từ thông, mômen và công suất (FTP) hình 5.5 • Khối mô phỏng các mặt trượt và luật điều khiển trượt (SMC) hình 5.6 • Khối chuyển trục điện áp rotor từ dq sang abc (DQ-TO-ABC) hình 5.7 • Khối tính F1 và F2 dùng trong luật điều khiển (F1,F2) hình 5.8

Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển DFIG bằng phương pháp trượt



Hình 5.2: Nguồn 3 pha đối xứng cung cấp cho mạch stator

Hình 5.3: Chuyển đổi abc - dq



Hình 5.4: ABC-TO-DQ

Hình 5.5: Tính toán từ thông, công suất và momen



Hình 5.6: Luật điều khiển trượt

Hình 5.7: DQ-TO-ABC



Hình 5.8: Tính toán F1,F2

5.2 Kết quả mô phỏng.

Mô phỏng được tiến hành trên Matlab/Simulink, sử dụng một máy điện không đồng bộ rotor dây quấn công suất 4kW có các thông số được cho ở phần Phụ lục, đã qui đổi về phía stator.

5.2.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ danh định.

Các thông số điện trở, điện cảm và mômen quán tính rotor của mô hình DFIG dùng để mô phỏng được chọn bằng các thông số danh định:

Rs = 1.070Ω,Rr = 1.320 Ω, Lls = 0.0066H, LLr = 0.0098H, Lm = 0.1601H, J = 0.32

kg.m2

Các thông số của bộ điều khiển trượt:

• Các thừa số nhân của luật điều khiển trượt: k1 = 1800, k2 = 800.

• Thời hằng của khâu lọc thông thấp cấp 1: Ti = 10ms.

• Khâu chấp hành của hệ thống điều khiển có thời gian trễ: td = 100µs

• Các giới hạn tín hiệu điều khiển:udr,min = uqr,min = -250, udr,max = uqr,max = 250.



Giá trị đặt: Giá trị đặt cho hai thành phần của véctơ dòng rotor tương ứng với công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu bên phía stator DFIG. Giá trị đặt có đồ thị như hình 6.3a.

Khoảng thời gian từ 0 - 1.25s được giả thiết tương ứng với thời gian để khởi động hệ thống, thực hiện kích từ và hòa đồng bộ DFIG với lưới điện. Trong giai đoạn này, hai thành phần của véctơ dòng stator bằng không.

• Tại thời điểm ts = 1.25 , giá trị đặt ref

dri được thiết lập để thực hiện một sự thay

đổi nấc từ 0 sang -6A , hệ thống bắt đầu phát công suất về lưới. Trong khi đó,

giá trị đặt ref

qri được giữ bằng -6.5 (ứng với công suất phản kháng bằng không,

hệ số công suất đầu cực stator duy trì bằng 1).

• Trong khoảng thời gian ts = 1.75 − 2.5 , giá trị đặt ref

qri được áp dụng để thực

hiện một thay đổi nấc từ -6.5A sang -4.A, hệ thống tiêu thụ công suất kháng từ

lưới. Giá trị điều khiển ref

dri vẫn duy trì ở mức -6A .

• Trong khoảng thời gian ts = 2.5−3.5 , giá trị đặt ref

qri có sự thay đổi nấc từ -4.A

sang -9A, hệ thống phát công suất kháng về lưới. Giá trị điều khiển ref

dri vẫn

duy trì ở -6A.

• Trong khoảng thời gian ts = 3.5−4s , giá trị đặt ref

qri có sự thay đổi nấc từ -9A

sang -6.5A (ứng với hệ số công suất đầu cực stator duy trì bằng 1). Giá trị điều

khiển ref

dri vẫn duy trì ở -6A.

• Quá trình mô phỏng kết thúc ở thời điểm ts = 4s



Hình 5.9: Giá trị đặt cho hai thành phần dòng rotor

Hình 5.10: Đáp ứng của e

dri và

e

qri theo tín hiệu đặt.



Hình 5.11: Các mặt trượt S1 và S2.



Hình 5.12: Công suất Ps, Qs và Mômen Te.



Hình 5.13: Dòng và áp stator

Hình 5.14: Dòng và áp rotor



Nhận xét kết quả:

• Hình 5.3 cho kết quả mô phỏng điều khiển độc lập hai thành phần của véctơ dòng rotor, tức điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng

phía đầu cực stator. Khi tín hiệu đặt ref

dri ,

ref

qri có sự thay đổi nấc như hình 5.2,

các đáp ứng e

dri và

e

qri phù hợp với các mặt trượt đã chọn, quá trình quá độ diễn

ra nhanh chóng không có sự vọt lố và bám tốt theo giá trị đặt. Hơn nữa, khả năng phân ly của hệ thống điều khiển rất cao, sự thay đổi nấccủa thành phần stator dòng trục d không làm ảnh hưởng đến thành phần dòng stator trục q và ngược lại như hình 5.3

• Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ quanh giá trị 0 như hình 5.4, giá trị các mặt trượt có sự biến động (S ≠ 0) tại các thời điểm tín hiệu đặt thay đổi nấc nhưng nhanh chóng trở về không ngay sau đó.

• Hiện tượng chattering thể hiện dao động ở tần số cao của tín hiệu điều khiển ur(t) cũng có thể được nhận thấy trên quĩ đạo pha của hệ thống. Vì các khâu chấp hành của hệ thống điều khiển có thời gian trễ, hệ quả là tín hiệu điều khiển không thể thay đổi giá trị một cách tức thời khi quĩ đạo pha vừa chạm mặt trượt

để đảm bảo điều kiện; nếu S =0 thì 0S = . Kết quả là quĩ đạo pha vượt qua mặt trượt một đoạn và quay về mặt trượt. Quá trình này được lặp lại và kết quả là quĩ đạo pha dao động quanh mặt trượt.

• Công suất tác dụng và phản kháng đầu cực stator ở hình 5.5, có dạng đồ thị tương ứng giống với đồ thị hai thành phần của véctơ dòng stator vì điện áp stator được cố định theo điện áp lưới (có giá trị hầu như không đổi).

5.2.2 Kết quả khảo sát tính bền vững của luật điều khiển.

Khảo sát tính bền vững của luật điều khiển trong trường hợp các thông số của máy phát cảm ứng DFIG có sự biến đổi do điều kiện làm việc, chẳng hạn như ảnh hưởng của nhiệt độ dây quấn, mức bão hòa của mạch từ, v.v…

Các thông số của bộ điều khiển cũng như giá trị đặt được giữ không đổi như trong trường hợp mô phỏng ở chế độ danh định cho tất cả các trường hợp khảo sát dưới đây.

• Kết quả 1: Khi tăng điện trở stator và rotor lên 20%



Đáp ứng của dòng rotor

Các mặt trượt S1, S2

Công suất tác dụng và phản kháng đầu cực stator



Dòng điện stator và rotor pha a

Hình 5.15: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện trở stator và rotor lên 20%

• Kết quả 2: Khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20%







Hình 5.16: Đáp ứng hệ thống khi giảm điện trở stator và rotor xuống 20%

• Kết quả 3: Khi tăng điện cảm tản stator và hổ cảm giữa stator và rotor lên 20%







Hình 5.17: Đáp ứng hệ thống khi tăng điện cảm và hỗ cảm

Nhận xét kết quả: Qua 3 trường hợp tăng, giảm điện áp stator và rotor; tăng điện cảm tản cuộn stator và hổ cảm giữa cuộn stator và rotor. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số không đáng kể so với mô phỏng ở chế độ danh định. Nhưng vậy hệ số điều khiển có tính bền vững cao với sự thay đổi các thông số điện trở và điện cảm stator và rotor.

Chương 6: Kết luận. GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa


Chương 6: KẾT LUẬN.

6.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn.

• Tìm hiểu về lĩnh vực phát điện bằng sức gió, những thuận lợi và khó khăn trong việc phát triển năng lượng gió, tiềm năng về năng lượng gió của Việt Nam.

• Tìm hiểu các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió: sự phân bố gió, hiệu suất của tuabin gió, vận hành hệ thống năng lượng gió tốc độ cố định và thay đổi.

• Tìm hiểu các loại máy phát điện sử dụng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.

• Tìm hiểu về mô hình toán học của máy phát điện cảm ứng cấp nguồn từ hai phía (DFIG), mô phỏng mô hình DFIG trên MATLAB/SIMULINK.

• Tìm hiểu về phương pháp điều khiển trượt, ứng dụng vào điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator của máy phát DFIG.

• Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển trên MATLAB/SIMULINK, kết quả mô phỏng cho thấy có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator thông qua việc điều khiển hai thành phần dòng rotor. Từ đó ta có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng để tối ưu công suất nhận được từ gió, đồng thời có thể điều khiển thu hay phát công suất phản kháng góp phần điều chỉnh hệ thống điện, đây là ưu điểm lớn nhất của DFIG so với các máy phát điện gió khác.

• Bộ điều khiển trượt cho kết quả bám theo giá trị đặt tốt,đáp ứng nhanh, không có vọt lố, ảnh hưởng qua lại giữa hai thành phần dòng rotor không đáng kể nên có thể điều khiển độc lập được. Bộ điều khiển có tính bền vững cao khi có sự thay đổi của thông số máy phát điện trở, điện cảm stator và rotor.

6.2 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn.

• Thực hiện hệ thống điều khiển trên hệ thực, có thể dùng động cơ DC tạo momen đầu vào.

• Tiếp tục xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển từ lúc khởi động, hòa đồng bộ, đến khi xác lập. Chi tiết hóa mô hình mô phỏng: mô phỏng thêm các bộ biến đổi công suất phía rotor và áp dụng hệ thống điều khiển thông qua điều khiển các bộ biến đổi công suất này.

• Sử dụng các hệ thống điều khiển thông minh như mạng neural, fuzzy logic… vào phương pháp điều khiển trượt nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển.

Tài Liệu Tham Khảo

[1] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc,“Truyền Động Điện”. NXB ĐHQG Tp.HCM – 2008.

[2] J.F. Manwell, J.G. McGowan , A.L. Rogers ,“Wind energy explained. Theory,

Design and Application”. University of Massachusetts, Amherst, USA. JOHN WLEY & SONS, LTD.

[3] Mukund R. Patel Ph.D., P.E, “Wind and Solar Power Systems”. U.S.Merchant Marine Academy Kings Point, New York. CRC Press LLC-1999.

[4] Ronald Hirschorn, ”Sliding mode control design for nonlinear stytems”,

Chapter 2. June 3, 2003.

[5] Hugh Piggott,“Windpower Workshop”.British Wind Energy Association.

[6] S. K Salman and Babak Badrzadeh,” New Approach for modelling Doubly-Fed

Induction Generator (DFIG) for grid-connection studies”.School of Engineering, The Robert Gordon University, Schoolhill, Aberdeen, AB10 1FR, Scotland, U.K.

[7] Nguyễn Văn Nhờ, “ Cơ sở Truyền Động Điện – Truyền động động cơ không

đồng bộ”. Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.

[8] Dương Hoài Nghĩa, Trương Văn Hiền,” Điều khiển tốc độ động cơ không đồng

bộ dùng mô hình nội”.Tạp chí khoa học và công nghệ,pp 42-46, số 38+39,2002.

[9] A.Petersson, “Analisys, modeling and control of doubly - fed induction

generators for wind turbines”. Ph.D thesis, Chalmers University of Technology, Sweden, 2005.

[10] Balasubramaniam Babypriya ,Rajapalan Anita,”Modelling, Simulation and

Analysis of douby fed induction generator for wind turbines” Journal of Electrical Engineering, vol. 60, no. 2, 2009, 79–85.

[11] Ahmed G. Abo-Khalil, Dong-Choon Lee, Seung-Pyo Ryu, “Synchronization of

DFIG Output Voltage to Utility Grid in Wind Power System”. Dept. of Electrical. Eng. Yeungnam Univ., 214-1, Daedong, Gyeongsan, Gyeongbuk, Korea.

[12] Mai Tuan Dat, Mai Ba Loc, Pham Dinh Truc, Nguyen Huu Phuc, “ Control of Doubly-fed induction generator using DSpace R&D Controller Board - an application of rapid control coordinated with matlab/simulink”. Division of Electrical Machines & Equipment Engineering, HCMUT, Vietnam

[13] Guofeng Yuan, Jianyun Chai, Yongdong Li, “Vector Control and

Synchronization of Doubly Fed Induction Wind Generator system”. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing, P.R.China.

[14] Ahmed G. Abo-Khalil,Dong-Choon Lee, Se-Hyun Lee, “Grid Connection of

Doubly-Fed Induction Generators in Wind Energy Conversion System”. Dept. of Electrical. Eng. Yeungnam Univ., 214-1, Daedong, Gyeongsan, Gyeongbuk, Korea.

Phụ Lục

File cài đặt tham số và vẽ đồ thị trong matlab/simulink

%Thong so may dien khong dong bo rotor day quan(DFIG) 20HP

Pn = 4000; Vn = 400; % Dien ap dinh muc (line to line) (V) p= 2; % so cap cuc fn = 50; % tan so dinh muc (Hz) Vrn = 950; % Dien ap dinh muc rotor (line-to-line)

(V) Irn = 2.7; % n = 1440; % toc do dinh muc (rpm)

Sb = Pn; wb = 2*pi*fn; we = wb; wbm = wb/p; Tb = Pn/wbm; % Momen co ban Zb = Vn*Vn/Sb; % tro khang co ban Vm = Vn*sqrt(2/3); % bien do ap pha Vb = Vm; Tfactor = (3/2)*p;

Rs = 1.07; % dien tro stator Rr = 1.32; % dien tro rotor Lls = 0.0066; % diem cam stator Llr = 0.0098; % dien cam rotor Lm = 0.1601; % ho cam Ls = Lls+Lm; Lr = Llr+Lm; Rs1 = Rs; Rr1 = Rr; Lls1 = Lls; Llr1 = Llr; Lm1 = Lm; Ls1 = Lls1+Lm1; Lr1 = Llr1+Lm1; LM = 1/(1/Lm + 1/Lls + 1/Llr); J = 0.32; % momen quan tinh H = J*wbm*wbm/(2*Sb); Domega = 0; f = 0;

% thoi gian mo phong tstop = 4.25;

% Momen vao Tm_time = [0 1.25 1.25 tstop]; Tm_value = [0 0 -0.7 -0.7]*Tb;

% Thong so cua bo dieu khien truot Ts = Ls/Rs; Tr = Lr/Rr;

gamma = 1/Tr; sigma = 1-(Lm*Lm)/(Ls*Lr); a1 = Lm1-(Ls1*Lr1)/Lm1; a2 = Lr1/Lm1; a3 = Ls1/Lm1; a4 = Rs1/Lm1; a5 = a3*Rr1/a1+a2*Rs1/a1; k1 = 1800; k2 = 800; Ti = 0.01;

% Gia tri dat cho idr & iqr idr_time = [0 0.99 0.99 1.25 1.25 tstop]; idr_value = [-15 -15 0 0 6 6];

iqr_time = [1 1.75 1.75 2.5 2.5 3.5 3.5 tstop]; iqr_value = [-6.5 -6.5 -4 -4 -9 -9 -6.5 -6.5];

disp('Go return de ve do thi'); keyboard clf;

figure plot(y(:,1),y(:,2),'-k') grid on ylabel('i*dr [A]') axis([1 4 -8 8]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dong dat idr*')

figure plot(y(:,1),y(:,3),'-k') grid on ylabel('idr [A]') axis([1 4 -8 8]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dong idr')

figure plot(y(:,1),y(:,4),'-k') grid on ylabel('iqr* [A]') axis([1 4 -12 -2]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dong dat iqr*')

figure plot(y(:,1),y(:,5),'-k') grid on ylabel('iqr [A]') axis([1 4 -12 -2]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dong iqr')

figure plot(y(:,1),y(:,6),'-k') grid on ylabel('Te [N.m]') axis([1 4 -30 30]); xlabel('Thoi gian [s]')

title('Moment dien tu, Te [N.m]')

figure plot(y(:,1),y(:,7),'-k') grid on ylabel('Ps [W]') axis([1 4 -4e3 4e3]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Cong suat tac dung dau cuc stator, Ps [W]')

figure plot(y(:,1),y(:,8),'-k') grid on ylabel('Qs [VAr]') axis([1 4 -3e3 3e3]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Cong suat phan khang dau cuc stator, Qs [VAr)]')

figure plot(y(:,1),y(:,9),'-k') grid on ylabel('S1') axis([1 4 -8 8]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Mat truot S1')

figure plot(y(:,1),y(:,10),'-k') grid on ylabel('S2') axis([1 4 -12 12]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Mat truot S2')

figure plot(y(:,1),y(:,11),'-k') grid on ylabel('ias [A]') axis([1.2 1.4 -15 15]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Dong dien stator pha - a, ias')

figure plot(y(:,1),y(:,12),'-k') grid on ylabel('iar [A]') axis([1 4 -20 20]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Dong dien rotor pha - a, iar')

figure plot(y(:,1),y(:,13),'-k') grid on ylabel('vas [V]') axis([1 4 -400 400]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Dien ap stator pha - a, vas')

figure plot(y(:,1),y(:,14),'-k') grid on

ylabel('var [V]') axis([1.5 1.7 -200 200]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Dien ap rotor pha - a, var')

figure plot(y1(:,1),y1(:,2),'-k') grid on ylabel('vdr [V]') axis([1.5 1.7 -200 200]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dien ap rotor vdr')

figure plot(y1(:,1),y1(:,3),'-k') grid on ylabel('vqr [V]') axis([1.5 1.7 -200 200]); xlabel('Thoi gian [s]') title('Thanh phan dien ap rotor vqr')

Documents

Luan Van Mau