Tài liệu điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới không đối xứng

.. DƯƠNG MẠNH LINH ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH TỰ ĐỘNG HÓA TN 2011 CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI KHÔNG ĐỐI XỨNG TRẦN ĐỨC QUỲNH LÂM THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI KHÔNG ĐỐI XỨNG Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Học Viên : TRẦN ĐỨC QUỲNH LÂM Người HD Khoa học: TS CAO XUÂN TUYỂN THÁI NGUYÊN – 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh : Trần Đức Quỳnh Lâm : Ngày 31 tháng 03 năm 1982 Cơ sở đào tạo Chuyên ngành : Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên : Tự động hóa Khóa học : K12- TĐH Nơi công tác TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI KHÔNG ĐỐI XỨNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Cao Xuân Tuyển Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Ngày giao đề tài: ........./....../......... Ngày hoàn thành: ......./....../......... GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Cao Xuân Tuyển BAN GIÁM HIỆU Trần Đức Quỳnh Lâm KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật -1- Chuyên ngành tự động hoá LỜI GIỚI THIỆU Xã hội loài người muốn tồn tại và phát triển thì một điều tất yếu không thể thiếu được đó là phải duy trì nguồn năng lượng để nuôi sống xã hội đó. Trong đó điện năng đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện nay các nguồn điện năng chính là dầu khí, than đá... hoặc đang có nguy cơ cạn kiệt hoặc đã đến giới hạn khai thác. Trong khi đó điện hạt nhân tuy đã phát triển mạnh nhưng vẫn chứa mối nguy hiểm to lớn tiềm tàng không an toàn. Vì vậy các nguồn năng lượng sạch khác như gió, mặt trời, thủy triều đang được nghiên cứu và phát triển, hứa hẹn một tương lai tươi sáng hơn, được áp dụng rộng rãi hơn. Với những nước như Việt Nam, có nhiều địa hình phức tạp, nhiều nơi vùng sâu vùng xa điện lưới quốc gia chưa thể vươn tới hoặc có nhưng rất hạn chế. Đây lại chính là những nơi có tiềm năng lớn về năng lượng gió. Vì vậy các hệ thống phát điện chạy sức gió cần được chúng ta quan tâm phát triển. Máy điện không đồng bộ (MDKDB) được ứng dụng ngày càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió. Máy phát nằm trong dải công suất điều chỉnh từ vài chục kW đến trên 7 MW và có những ưu điểm nổi bật:  Khả năng điều chỉnh dễ dàng dòng năng lượng qua máy phát bằng biến tần có công suất thấp hơn máy phát nhiều bằng tác động lên vành góp rotor, giúp hạ đáng kể giá thành toàn hệ.  MDKDB có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi khá rộng (tới ±30%), cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió. Tuy vậy để phát được chất lượng tốt, cần phải có một phương pháp điều chỉnh thích hợp trong hệ thống máy phát nhằm nâng cao hiệu suất, chất lượng điện. Điều này trở nên khá phức tạp bởi vì ngoài các ưu điểm kể trên MDKDB có những khó khăn cơ bản là hai thành phần dòng ird, irq có nhiệm vụ điều khiển công suất hữu công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau. Trước đây người ta giải quyết vấn đề bằng việc coi tần số mạch rotor bằng hằng số trong một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật -2- Chuyên ngành tự động hoá thành phần dòng. Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp lưới điện gặp sự cố dẫn tới sập lưới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor, của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lưới. Những đặc điểm kể trên đã làm cho phương pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực. Bản luận án này giới thiệu một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mà không cần một giả thiết nào gần đúng vi phạm tới bản chất phi tuyến của MDKDB, đó là phương pháp điều khiển theo mô hình nội IMC. Luận văn được chia thành: Chƣơng 1 Đặt vấn đề Chƣơng 2 Giới thiệu mô hình toán học đối tượng điều khiển Chƣơng 3 Phân tích lựa chọn phương án điều khiển đối tượng. Chƣơng 4 Mô phỏng và kết luận. Cuối cùng là kết luận và một số đề xuất về hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Mặc dù có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, song bản luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2011 Ngƣời thực hiện Trần Đức Quỳnh Lâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật -3- Chuyên ngành tự động hoá Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ LỰA CHỌN ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Xuất phát từ thực tế về xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió ngày càng tăng ở mỗi quốc gia trên toàn thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, vì: - Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường. - Nhu cầu ngày càng lớn về điện năng trên toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, đòi hỏi phải đa dạng hóa các nguồn năng lượng. - Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền, hải đảo lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm phát triển lĩnh vực tái tạo năng lượng gió ở nước ta phát triển mạnh hơn nữa. Ngày nay, với xu hướng tăng phần đóng góp của các tuốc bin gió trong việc cung cấp điện năng ở mỗi quốc gia trên thế giới, đã hình thành các “Wind farm” gồm nhiều tuốc bin gió nối mạng với nhau. Các “Wind farm” có thể được xây dựng trên đất liền, hoặc được xây dựng trên các vùng biển “offshore”. Tổng công suất mà các “Wind farm” tạo ra có thể lên tới hàng chục MW. 1.1 Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin gió tốc độ cố định và tuốc bin gió với tốc độ thay đổi. Loại tuốc bin gió thông thường nhất là tuốc bin gió với tốc độ cố định (Fixed speed wind turbine), trong đó máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới. Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm chính là do tốc độ cố định nên không thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Gearbox -4- Chuyên ngành tự động hoá Soft starter IG Transformer Capacitor bank Hình 1.1 Tuốc bin gió với tốc độ cố định Loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi (variable-speed wind turbine) khắc phục được nhược điểm trên của tuốc bin gió với tốc độ cố định, đó là nhờ thay đổi được tốc độ nên có thể thu được năng lượng cực đại từ gió. Bất lợi của các tuốc bin gió có tốc độ thay đổi là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phí cho tuốc bin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuốc bin tốc độ cố định. Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới và tuốc bin gió sử dụng động cơ không đồng bộ roto dây quấn (MĐKĐBRTDQ). Loại tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lưới, do đó bộ biến đổi được tính toán với công suất định mức của toàn tuốc bin. Máy phát ở đây có thể là loại không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc là đồng bộ. Ngày nay với xu hướng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn Gearbox ≈ G = ≈ = Power electronic converter Transformer Hình 1.2 Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới năng lượng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới người ta đã chế tạo các loại tuốc bin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuốc bin gió tốc độ thay đổi có bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hoá -5- biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì sẽ tốn kém, đắt tiền do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuốc bin. Vì vậy các hãng chế tạo tuốc bin gió có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn làm máy phát trong các hệ thống tuốc bin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành, vì bộ biến đổi được nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thường chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm như bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng được thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống. Do đó đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ roto dây quấn. Transformer Gearbox DFIG ≈ = ≈ = Power electronic converter Hình 1.3 Tuốc bin gió tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ Nhược điểm chính của tuốc bin gió với tốc độ thay đổi sử dụng MĐKĐBRTDQ là vấn đề lỗi lưới. Lỗi lưới trong hệ thống năng lượng, thậm chí ở xa so với vị trí đặt tuốc bin sẽ gây ra sụt điện áp lưới, dẫn tới từ thông quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor sức phản điện động có trị số lớn và nếu lớn hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra, sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn, có thể phá hỏng bộ biến đổi. Ngoài ra, hiện tượng mất điều khiển và quá dòng lớn còn bị ảnh hưởng của hiện tượng mất đối xứng của hệ thống lưới điện. Đây chính là những yếu tố làm mất tính ổn định làm việc của hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ khi làm việc với lưới điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hoá -6- 1.2 Cấu trúc điều khiển của hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện KĐBRTDQ Hiện nay, có hai cấu trúc hệ thống PĐSG dùng MĐKĐBRTDQ được sử dụng: hệ thống sử dụng crowbar (hình 1.4) và hệ thống sử dụng stator switch (hình 1.5). Tem Stator breaker Ps, Qs Pg, Qg Grid Tt Pf, Qf Pr ~ Crowbar dv/dt filter ~ filter Lever I Crowbar control β* = = (Vector Control) Wm Tem* Vbus* Qs* Q f* Lever II (Wind turbine control strategy) Vw Hình 1.4 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng crowbar Hệ thống gồm có các điều khiển thành phần sau: điều khiển tuốc bin, điều khiển vector, điều khiển crowbar hoặc stator switch. a) Điều khiển tuốc bin Nhiệm vụ của điều khiển tuốc bin là điều chỉnh tốc độ tuốc bin (sử dụng động cơ servo để điều khiển góc cánh) và cung cấp giá trị đặt của mô men (hoặc công suất tác dụng) cho mức điều khiển vector theo chiến lược điều khiển như sau (hình 1.6): Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hoá -7- - Khi tốc độ gió nhỏ hơn giới hạn thấp của nó (khoảng 4 m/s), tốc độ của máy phát được giữ ở tốc độ thấp, dưới đồng bộ 30% (1050 v/ph), công suất cực đại nhận được từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió. Tem Pg, Qg Ps, Qs Grid Stator Switch Tt Pf, Qf Pr ~ dv/dt filter ~ filter Lever I Stator switch control β* = = (Vector Control) Wm Tem* Vbus* Qs* Q f* Lever II (Wind turbine control strategy) Vw Hình 1.5 Hệ thống PĐSG dựa trên MĐKĐBRTDQ sử dụng stator switch - Khi tốc độ gió lớn hơn giới hạn thấp 4m/s và nhỏ hơn 8m/s, tốc độ máy phát được duy trì trong phạm vi lớn hơn 1050 v/ph (dưới tốc độ đồng bộ 30 %) và nhỏ hơn hoặc bằng 1950 v/ph (trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh đồng thời tốc độ rotor tuốc bin và góc của cánh gió. - Khi tốc độ gió lớn hơn 8m/s và nhỏ hơn tốc độ gió định mức, 12m/s, tốc độ máy phát khi đó được duy trì ở giá trị định mức (1950 v/ph – trên tốc độ đồng bộ 30%), công suất cực đại lấy từ gió bằng cách điều chỉnh góc của cánh gió. - Khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức (12m/s), tốc độ máy phát được giữ ở giá trị định mức 1950 v/ph, công suất đặt của máy phát bằng công suất định mức của nó, nghĩa là công suất lấy từ gió được giữ bằng công suất định mức thông qua việc điều chỉnh góc của cánh gió. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật -8- Chuyên ngành tự động hoá - Khi tốc độ gió quá thấp, năng lượng quá nhỏ hoặc khi tốc độ gió quá cao (trên 25m/s), thì hệ thống bảo vệ sẽ cắt máy phát ra khỏi lưới. Công suất (%) 100 I1 I2 Công suất D giới hạn E D I3 C 50 E 100 Công suất (%) Công suất cực đại C 50 B B A A 5 10 uđm 15 Tốc độ gió (m/s) 20 25 nmin nđm Tốc độ máy phát (v/ph) Hình 1.6 Các đường cong sử dụng trong chiến lược điều khiển tuốc bin b) Điều khiển crowbar hoặc stator switch Nhiệm vụ là bảo vệ bộ biến đổi công suất đối với hiện tượng quá dòng lớn khi xảy ra lỗi lưới (ngắn mạch lưới). Với hệ thống sử dụng crowbar, khi xảy ra lỗi lưới, nếu dòng rotor lớn quá mức cho phép của bộ biến đổi, lúc này điều khiển crowbar sẽ được kích hoạt, làm ngắn mạch rotor, rẽ mạch dòng ngắn mạch qua crowbar để bảo vệ bộ biến đổi, khi đó máy phát bị mất điều khiển. Khi biên độ dòng quá độ đã giảm dưới mức an toàn, “crowbar” ngừng tham gia, lúc này mới có thể điều khiển được máy phát. Với hệ thống sử dụng stator switch, khi lỗi lưới, nếu dòng quá độ rotor vượt quá mức cho phép của bộ biến đổi, bộ chuyển mạch điện tử công suất thyristor phía stator sẽ ngắt máy phát ra khỏi lưới, tuy nhiên vẫn duy trì điều khiển phía rotor để điều khiển tái hoà đồng bộ máy phát vào lưới khi biên độ dòng quá độ giảm dưới mức an toàn của bộ biến đổi, và việc phát công suất hữu công, vô công lên lưới được khôi phục trở lại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật -9- Chuyên ngành tự động hoá c) Điều khiển vector Bao gồm hai điều khiển thành phần: Điều khiển nghịch lưu phía máy phát và điều khiển nghịch lưu phía lưới.  Điều khiển nghịch lưu phía lưới (NLPL) Mục tiêu của điều khiển NLPL là duy trì trị số điện áp một chiều trung gian không đổi theo giá trị đặt của nó phù hợp với bộ biến đổi nghịch lưu phía máy phát (NLMP), và điều khiển hướng, trị số công suất vô công lên lưới.  Điều khiển nghịch lưu phía máy phát(NLMP) Mục đích của bộ NLMP là điều khiển công suất tác dụng, và công suất phản kháng lên lưới một cách độc lập với nhau, thông qua điều khiển các thành phần dòng điện rotor, với việc áp dụng kỹ thuật điều khiển vector. Với mục đích của đề tài là nâng cao chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ thông qua việc áp dụng giải pháp điều khiển thích hợp áp dụng chủ yếu cho bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát, nên phần này sẽ phân tích cụ thể chi tiết nhiệm vụ, yêu cầu của điều khiển NLMP. 1.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với điều khiển nghịch lƣu phía máy phát Để hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ, làm việc ổn định với lưới ( giả thiết lưới có công suất vô cùng lớn) yêu cầu đối với điều khiển nghịch lưu phía máy phát là: Ở chế độ làm việc bình thường, thực hiện bám lưới với tần số và điện áp lưới không đổi; thực hiện điều chỉnh phân ly công suất tác dụng và công suất phản kháng lên lưới. Ở chế độ sự cố (ngắn mạch gây sụt điện áp lưới), thực hiện bám lưới; cung cấp công suất tác dụng lớn nhất có thể lên lưới ngay sau khi lỗi lưới để cấp dòng ngắn mạch vào vị trí bị ngắn mạch để kích hoạt các thiết bị bảo vệ hệ thống năng lượng tác động; điều chỉnh công suất phản kháng lên lưới để hỗ trợ lưới phục hồi điện áp, đồng thời tạo điều kiện để hệ thống trở về chế độ bình thường ngay sau khi lỗi lưới (vì mức điện áp lưới lúc này đã được nâng lên). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành tự động hoá Ở chế độ sự cố, một vấn đề có thể xảy ra (nhất là khi sập lưới với mức độ lớn) với bộ điều khiển nghịch lưu phía máy phát là vấn đề mất điều khiển dòng khi lỗi lưới. Nguyên nhân là khi lỗi lưới, từ thông stator xuất hiện thành phần quá độ dao động, làm cảm ứng trong mạch rotor điện áp quá độ có trị số lớn (sức phản điện động) , và nếu lớn hơn điện áp cực đại của bộ biến đổi có thể tạo ra được thì sẽ gây mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn. Hậu quả là hệ thống phải kích hoạt hệ thống bảo vệ bộ biến đổi thông qua việc điều khiển crowbar hoặc stator switch. Máy phát bị mất điều khiển hoặc phải ngắt máy phát ra khỏi lưới,không thực hiện được nhiệm vụ đặt ra khi lỗi lưới và có nguy cơ làm tan rã hệ thống lưới điện kiểu “wind farm” Theo [27], các yếu tố ảnh hưởng tới sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor bao gồm: Mức độ dao động của điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động của từ thông stator quá độ, mức độ dao động này phụ thuộc vào mức độ dao động điện áp lưới và mức độ sụt điện áp lưới khi lỗi lưới; Mức độ dao động, thay đổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor khi lỗi lưới Từ các phân tích về nhiệm vụ và vấn đề mà bộ điều khiển phía máy phát gặp phải (mất điều khiển dòng và gây quá dòng lớn), để nâng cao được chất lượng hệ thống PĐSG sử dụng MĐKĐBRTDQ, vấn đề đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát là phải khống chế được độ lớn của sức phản điện động cảm ứng trong mạch rotor nhỏ hơn khả năng cực đại của bộ biến đổi ngay sau khi lỗi lưới cũng như khi lỗi lưới được loại bỏ, để tránh hiện tượng mất điều khiển dòng và quá dòng lớn, hạn chế tới mức tối đa sự tham gia của hệ thống crowbar hoặc stator switch. Xuất phát từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới điện áp quá độ cảm ứng trong mạch rotor, để nâng cao được chất lượng hệ thống, các yêu cầu cụ thể được đặt ra với bộ điều khiển phía máy phát như sau: - Điều khiển phân ly (tách kênh) công suất hữu công và công suất vô công phát lên lưới thông qua MĐKĐBRTDQ - Ổn định đối với dao động của điện áp lưới - Ổn định đối với dao động của từ thông khi lỗi lưới. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành tự động hoá - Ổn định đối với dao động, thay đổi của tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor ở chế độ bình thường và lỗi lưới. Những yếu tố này được đề cập đến thông qua đại lượng nhiễu hệ thống là sức phản điện động. Ngoài ra, tình trạng mất đối xứng điện áp của lưới điện cũng ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định của hệ thống phát điện sức gió với lưới điện. Để khắc phục tình trạng này, giải pháp điều khiển đưa ra ở đây là phân tích hệ thống điện áp không đối xứng thành các thành phần đối xứng: thuận, ngược, thứ tự không. Với hệ thống lưới ba pha ba dây thành phần thứ tự không không tồn tại, vì vậy ta chỉ cần thực hiện tách các thành phần đối xứng thứ tự thuận, ngược sau đó thiết kế bộ điều khiển để triệt tiêu thành phần thứ tự ngược. Kết luận chương 1: Sau khi trình bày tính cấp thiết của đề tài; khái quát lại các loại tuốc bin gió; ưu nhược điểm của từng loại, tác giả chọn đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát điện sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ. Với giải pháp điều khiển là lựa chọn phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp để nâng cao khả năng làm việc ổn định của hệ thống PĐSG với máy phát thông qua bù nhiễu, điều khiển giảm ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống, điều khiển để triệt tiêu thành phần thứ tự ngược. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hoá - 12 - Chƣơng 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Khái quát về hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ BiÕn thÕ uN M§N us NLPL Läc 3~ NLMP HS UDC 3~ 3~ MP ir iN DSP NLPL NLMP M§N HS MP IE is IE n Nghịch l-u phÝa l-íi NghÞch l-u phÝa m¸y ph¸t M¸y ®ãng ng¾t Hép sè M¸y ph¸t M¸y kh¾c v¹ch xung Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ Hình 2.1 mô tả sơ đồ cấu trúc một hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBRTDQ. Hệ thống trên bao gồm một MĐKĐBRTDQ có cuộn dây stator được nối trực tiếp với lưới điện ba pha. Cuộn dây phía rotor được nối với hệ thống biến tần (dùng van bán dẫn) có khả năng điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều. Hệ thống biến tần bao gồm hai cụm: cụm nghịch lưu phía lưới (NLPL) và cụm nghịch lưu phía máy phát (NLMP). Hai cụm được nối với nhau thông qua mạch điện một chiều trung gian. Cụm NLMP có nhiệm vụ điều chỉnh và cách ly công suất hữu công và công suất vô công thông qua hai đại lượng mG (mômen của máy phát) và công suất vô công Q đồng thời đảm nhận việc hòa đồng bộ với lưới cũng như điều chỉnh tách máy phát ra khỏi lưới khi cần thiết. Cụm NLPL trên thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 13 - Chuyên ngành tự động hoá tế không chỉ có nhiệm vụ chỉnh lưu theo nghĩa thông thường: lấy năng lượng từ lưới về, cụm còn có khả năng thực hiện nhiệm vụ hoàn trả năng lượng từ mạch một chiều trung gian trở lại lưới. Vì vậy, về cấu trúc mạch điện tử công suất, cụm NLPL hoàn toàn giống như cụm NLMP. Cụm NLPL có nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp mạch một chiều trung gian u DC sao cho không phụ thuộc vào độ lớn cũng như chiều của dòng năng lượng chảy qua rotor, đồng thời điều chỉnh cos phía lưới và qua đó có thể giữ vai trò bù công suất vô công. Các van bán dẫn của thiết bị NLMP và NLPL được điều khiển đóng mở theo nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG). 2.2 Mối liên hệ giữa các hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay Trong trường hợp điện áp lưới không đối xứng, với hệ mạch chỉ có ba dây, ta phân tích thành hai thành phần, là thành phần đối xứng thứ tự thuận và thành phần đối xứng thứ tự ngược, thành phần thứ tự không không tồn tại. Để điều khiển các thành phần này, ta sử dụng lý thuyết điều khiển vector, trong đó sử dụng hai hệ toạ độ quay thuận dq+ quay với tốc độ góc s  2 f s ( f s là tần số của lưới điện) và hệ toạ độ quay ngược dq- quay với tốc độ góc s . Bây giờ trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một hệ toạ độ cố định  có trục  trùng với trục cuộn dây pha u, một hệ toạ độ quay thuận dq+ có trục thực d+ trùng với véc tơ điện áp lưới thuận us+ (uN+), nghĩa là hệ toạ độ d,q này quay với tốc độ  s  2 f s so với stator, và một hệ toạ độ quay ngược dq- có trục thực d- trùng với vector điện áp lưới ngược us-, quay với tốc độ  s so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ , isq- .  là is , is ; trên hai trục toạ độ dq+ là isd , isq , và trên hai trục toạ độ dq- là iisd Ta có mối liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng điện pha stator như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật j jq  is isq Chuyên ngành tự động hoá - 14 - jq  isq  is s   d us isd s  s t isd   s  s t is s s d Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ trục toạ độ  và d,q is  isu  1  is   3 (isu  2isv )  (2.1) isu  is  isv  0,5(is  3is  )  isw  0,5(is  3is  ) isd  is cos s  is  sin s    isq  is sin s  is  cos s (2.3) is  isd cos s  isq sin s  is   isd sin s  isq coss + +  isdq  is e jst , isdq  is e jst , isdq  isdq e  j 2st , isdq  isdq eej2st (2.2) (2.4) (2.5) Các công thức biến đổi cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector khác như vector điện áp stator, dòng rotor, điện áp rotor, từ thông stator, từ thông rotor. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.3 Chuyên ngành tự động hoá - 15 - Mô hình toán học phía máy phát 2.3.1 Mô hình trạng thái liên tục MĐKĐBRTDQ 2.3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ cho thành phần thứ tự thuận Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ là các phương trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor. Phương trình điện áp stator: u Ri  Phương trình điện áp rotor: u Ri s s+ r r+ s s s+ r r r+  d ss dt d rr dt   s   i s  Ls  i r+ Lm Phương trình từ thông stator và rotor:    r   i s+ Lm  i r+ Lr (2.6) (2.7) (2.8a,b) Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá trị điện cảm là bất biến đối với mọi hệ tọa độ quan sát. Do đó, (2.8) được dùng một cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải. Khi sử dụng trên hệ tọa độ cụ thể ta sẽ điền thêm chỉ số. Sau khi chuyển (2.6), (2.7), (2.8) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq+ là hệ toạ độ quay với vận tốc góc  s so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:  + d s +  js s us+  Rs i s+  dt    + u  R i+  d r   j   r r+ r r  r+ dt  + +  s  i s+ Ls  i r+ Lm   + +  r   i s+ Lm  i r+ Lr với  s    r  (2.9a,b,c,d) (2.10) Chỉ số phía trên bên phải “+” để chỉ hệ tọa độ quay dq+, chỉ số "+" phía dưới bên phải để chỉ thành phần thứ tự thuận. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 16 - Chuyên ngành tự động hoá Do stator của MĐKĐBRTDQ được nối mạch với lưới nên tần số mạch stator chính là tần số lưới, điện áp rơi trên điện trở Rs có thể bỏ qua được so với tổng điện áp rơi trên hỗ cảm stator Lm và điện cảm tản L s . Phương trình (2.6) có thể viết lại gần đúng như sau: u s s  d  ss  dt  s hoặc us+  js s  (2.11) Phương trình (2.11) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator một góc chừng 900, hoặc diễn đạt cách khác: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện áp stator, rất thuận lợi cho việc mô hình hóa. Mặt khác, thiết bị điều khiển được đặt ở phía rotor và ta có cơ hội để sử dụng dòng rotor làm biến điều khiển trạng thái của đối tượng MĐKĐBRTDQ. Vì vậy ta sẽ tìm cách thông qua 2 phương trình từ thông (2.9c,d) khử dòng stator i s và từ thông rotor  r , giữ lại dòng rotor i r và từ thông stator  s rồi thay vào 2 phương trình (2.9a,b) và biến đổi ta có:  d i r  1  1 1   1       i r   jr i r     Tr Ts    dt  /  / 1  1 1 +  d  s  dt  T i r    T  js   s   L u s+ s m  s   1  / 1  1 + u  u   j   s    Lr r+  Lm s+  Ts  (2.12) với  /s   s  / Lm Viết (2.12) dưới dạng thành phần ta sẽ thu được mô hình điện toàn phần của MĐKĐBRTDQ như (2.13).  dird   1 1   1    1 / 1  1   /     urd   u   ird  r  irq     sd    sq      Ts  Lm sd    Tr  Ts    Lr  dt  di   rq    i    1  1    i   1     /   1  /    1 u   1   u  r  rd  rq  sd  sq  rq   dt   Ts  Lm sq  (2.13)   Tr  Ts    Lr  / 1  1 / 1   d sd  /  dt  T ird   T  sd   s sq   L usd  s s m  /  d sq  1 1 1   irq   s sd/    sq/   usq   Ts Ts Lm  dt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn