Tài liệu điều khiển giảm điện áp common mode cho bộ biến đổi phía rotor của máy phát không đồng bộ nguồn kép

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2018 2 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHỜ ............... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. HỒ PHẠM HUY ÁNH .................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. ĐINH HOÀNG BÁCH ............................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 14 tháng 7 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch: TS. HOÀNG MINH TRÍ 2. Thư ký: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT 3. Phản biện 1: PGS. TS. HỒ PHẠM HUY ÁNH 4. Phản biện 2: TS. ĐINH HOÀNG BÁCH 5. Ủy viên: PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN HỒNG PHONG MSHV: 1770573 Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1990 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 60520202 I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Khảo sát tổng quan: hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và ảnh hưởng của điện áp common-mode. 2. Phân tích mô hình động của DFIG và giải thuật điều khiển DFIG. 3. Phân tích điện áp common-mode và đề xuất giải thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho mạch nghịch lưu. 4. Xây dựng mô hình mô phỏng trong MATLAB/Simulink cho hệ thống DFIG với bộ biến đổi phía rotor (RSC) hoạt động ở chế độ nghịch lưu, áp dụng kỹ thuật điều khiển giảm điện áp common-mode cho RSC. 5. Thu thập số liệu mô phỏng, phân tích, đánh giá, kết luận và công bố khoa học. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ghi theo trong QĐ giao đề tài): 15/01/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (ghi theo trong QĐ giao đề tài): 02/12/2018 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. HCM, ngày ... tháng ... năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký) 4 LỜI CÁM ƠN Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, trước tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHỜ (Trưởng phòng TN Hệ thống Năng lượng, Khoa ĐiệnĐiện tử), người đã hướng dẫn hết sức tận tình để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cám ơn đến Cha tôi, là người đã luôn hỗ trợ động viên tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong quá trình tôi học tập tại trường ĐH Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy, các bạn tại Phòng TN Hệ thống Năng lượng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018 Học viên Lê Nguyễn Hồng Phong 5 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tiếng Việt: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung được sử dụng rộng rãi để điều khiển các mạch nghịch lưu trong hệ thống truyền động điện xoay chiều, trong đó có hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép. Quá trình điều khiển mạch nghịch lưu làm phát sinh điện áp common-mode. Điện áp common-mode gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ thống truyền động điện như: làm tăng dòng điện rò trong máy điện, làm giảm tuổi thọ lớp cách điện giữa các cuộn dây quấn trong máy điện, làm xuất hiện dòng điện ổ bi có thể làm lão hóa hoặc phá hủy bề mặt hệ thống ổ bi trong máy điện. Luận văn này trình bày một giải thuật điều khiển mới nhằm làm giảm điện áp common-mode của bộ biến đổi phía rotor hoạt động ở chế độ nghịch lưu trong hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép. Giải thuật được xây dựng dựa trên kỹ thuật sóng mang sử dụng hàm offset và được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink R2016b. Kết quả mô phỏng đã thể hiện được hiệu quả của giải thuật đề xuất. English: Pulse width modulation technique is used widely to control inverters in AC drive systems, including doubly-fed induction generator system. When applying switching techniques for inverter, common-mode voltage is generated. This voltage is known as an major factor which causes many problems in AC drive systems, such as: increasing leakage current of AC machines, increasing bearing currents which can damage bearing surfaces, etc. This thesis presents a novel strategy for reducing common-mode voltage for 2 level inverter based rotor side converter in a DFIG system. The proposed technique is developed from the carrier-based PWM technique with offset function and verified by a simulation model built in MATLAB/Simulink R2016b. The simulation results show the effectiveness of the proposed technique. 6 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam kết rằng tất cả các kết quả đo được trình bày trong luận văn này đều do chính bản thân tôi thực hiện và lấy kết quả. Nội dung luận văn do chính bản thân tôi biên soạn và có trích dẫn các tài liệu tham khảo. Tôi sẽ chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật nếu nội dung, số liệu và kết quả trong luận văn này là ngụy tạo hoặc đạo văn của người khác. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018 Học viên Lê Nguyễn Hồng Phong 7 MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN....................................................................................................................... 4 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ..................................................................................... 5 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 6 MỤC LỤC ............................................................................................................................ 7 DANH SÁCH KÝ HIỆU ................................................................................................... 10 DANH SÁCH TÊN VIẾT TẮT ........................................................................................ 13 DANH SÁCH HÌNH ẢNH ................................................................................................ 14 DANH SÁCH BẢNG BIỂU .............................................................................................. 17 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................... 18 1.1 Điện tử công suất trong hệ thống điện gió ................................................................. 18 1.2 Hệ thống turbine gió DFIG ......................................................................................... 20 1.3 Một số nghiên cứu liên quan ....................................................................................... 24 1.4 Ý nghĩa đề tài nghiên cứu............................................................................................ 25 1.5 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 25 1.6 Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 26 1.7 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 26 1.8 Bố cục luận văn ............................................................................................................ 27 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DFIG .......................................................................................................... 28 2.1 Các phép biến đổi hệ tọa độ ........................................................................................ 28 8 2.1.1 Phép biến đổi abc/dq..................................................................................... 28 2.1.2 Phép biến đổi abc/αβ .................................................................................... 32 2.2 Mô hình toán học DFIG .............................................................................................. 32 2.2.1. Mô hình vector không gian .......................................................................... 33 2.2.2. Mô hình trong hệ tọa độ dq ......................................................................... 35 2.3 Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG ..................................................... 38 2.4 Sơ đồ điều khiển ........................................................................................................... 40 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR ........................................................................................................... 43 3.1 Phân tích điện áp common-mode ............................................................................... 43 3.2 Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV 4S SVM............................................ 46 3.2 Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV CBPWM .......................................... 48 3.3.1. Xác định hàm offset và áp điều khiển ......................................................... 49 3.3.2. Thực hiện kỹ thuật PWM sử dụng sóng mang ............................................ 50 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ............................................................................................... 52 4.1 Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................................ 52 4.2 Thông số mô phỏng ...................................................................................................... 53 4.2.1 Các khối ở phần công suất .............................................................................. 53 4.2.1.1 Khối mô phỏng lưới điện .................................................................... 53 4.2.1.2 Khối mô phỏng DFIG ......................................................................... 54 4.2.1.3 Khối mô phỏng RSC .......................................................................... 55 4.2.1.4 Khối mô phỏng mạch DC-link ........................................................... 56 4.2.2 Các khối ở phần đo lường và điều khiển ........................................................ 57 9 4.2.2.1 Khối chuyển đổi hệ tọa độ .................................................................. 57 4.2.2.2 Khối điều khiển RSC .......................................................................... 59 4.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................................ 60 4.3.1 Mô phỏng 1: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz .................................. 60 4.3.2 Mô phỏng 2: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz ..................................... 67 4.3.3 Mô phỏng 3: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz ................................ 73 4.3.4 Mô phỏng 4: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz ................................... 79 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 85 5.1 Những kết quả đạt được .............................................................................................. 85 5.2 Những hạn chế ............................................................................................................. 85 5.3 Hướng phát triển trong tương lai ............................................................................... 85 CÔNG BỐ KHOA HỌC ................................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 103 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 105 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................................. 108 10 DANH SÁCH KÝ HIỆU Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị Cdc Điện dung tụ điện DC-link fcr Tần số sóng mang Hz fg Tần số điện áp/dòng điện của lưới Hz fsl Tần số điện áp/dòng điện trong rotor Hz fs Tần số điện áp/dòng điện trongstator Hz iag, ibg, icg Cường độ dòng điện của lưới trong hệ tọa độ abc A iar, ibr, icr Cường độ dòng điện của rotor trong hệ tọa độ abc A ias, ibs, ics Cường độ dòng điện của stator trong hệ tọa độ abc A idg, iqg Cường độ dòng điện của lưới trong hệ tọa độ dq A idm, iqm Cường độ dòng điện từ hóa trong hệ tọa độ dq A idr, iqr Cường độ dòng điện của rotor trong hệ tọa độ dq A ids, iqs Cường độ dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq A F j Đơn vị ảo (j2 = – 1) J Mô men quán tính Llr Điện cảm tản của cuộn dây rotor H Lls Điện cảm tản của cuộn dây stator H Lm Điện cảm từ hóa H Lr Điện cảm tự cảm của cuộn dây rotor H Ls Điện cảm tự cảm của cuộn dây stator H nm Tốc độ rotor DFIG p Toán tử đạo hàm (p = d/dt) P Số cặp cực của DFIG Pg Công suất tác dụng truyền từ DFIG lên lưới W Pm Công suất cơ ở đầu trục DFIG W Pr Công suất tác dụng của rotor W Ps Công suất tác dụng của stator W Công suất tác dụng tham chiếu ở stator W Psref Qs Qsref kg.m2 rpm Công suất phản kháng của stator V.A.r Công suất phản kháng tham chiếu của stator V.A.r 11 Rr Điện trở rotor quy về stator Ω Rs Điện trở stator Ω s Hệ số trượt S Toán tử Laplace Sbase t T0, T1, T2, ..., T7 Công suất biểu kiến cơ bản V.A Thời gian s Thời gian thực hiện của các vector điện áp V0, V1, V2, ..., V7 trong kỹ thuật điều chế vector không gian s Te Moment điện từ N.m Tm Moment cơ N.m Ts Thời gian lấy mẫu trong kỹ thuật điều chế vector không gian s vaO, vbO, vcO Điện áp pha nghịch lưu của các pha a, b, c quy về điểm trung tính của mạch DC-link V van, vbn, vcn Điện áp 3 pha a, b, c của tải 3 pha nối với mạch nghịch lưu V vas, vbs, vcs Điện áp 3 pha a, b, c của stator quy về điểm trung tính của cuộn dây stator V vdg, vqg Điện áp theo trục d và trục q của điện áp lưới V vdr, vqr Điện áp theo trục d và trục q của điện áp rotor V vds, vqs Điện áp theo trục d và trục q của điện áp stator V Điện áp theo trục d và trục q của điện áp tham chiếu dùng cho bộ nghịch lưu V Vbase Điện áp cơ bản V Vdc Điện áp tổng của mạch DC-link V vdref, vqref xa, xb, xc Các biến trong hệ tọa độ abc xd, xq Các biến trong hệ tọa độ dq xα, xβ Các biến trong hệ tọa độ αβ Xlr Cảm kháng tản của rotor Ω Xls Cảm kháng tản của stator Ω Xm Cảm kháng từ hóa Ω Zm Tổng trở từ hóa Ω λdr Từ thông móc vòng rotor theo trục d Wb λds Từ thông móc vòng stator theo trục d Wb 12 λqr Từ thông móc vòng rotor theo trục q Wb λqs Từ thông móc vòng stator theo trục q Wb θ0 Góc ban đầu của vector không gian rad θg Góc của vector điện áp lưới rad θs Góc đồng bộ của hệ quy chiếu dq, góc của vector điện áp stator của DFIG rad θsl Góc trượt trong máy phát không đồng bộ rad ω Tần số góc của hệ quy chiếu bất kỳ rad/s ωg Tần số góc của điện áp lưới rad/s ωr Tần số góc điện của rotor rad/s ωs Tần số góc điện của stator rad/s ωsl Tần số góc trượt của rotor rad/s im Vector dòng điện từ hóa A ir Vector dòng điện rotor A is Vector dòng điện stator A vr Vector điện áp rotor V vs Vector điện áp stator V Vector điện áp tham chiếu trong kỹ thuật SVM V Các vector điện áp thực hiện trong kỹ thuật SVM V Vref V0 , V1 ,..., V7 r Vector từ thông móc vòng rotor Wb s Vector từ thông móc vòng stator Wb 13 DANH SÁCH TÊN VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên viết đầy đủ Ý nghĩa Pulse-width Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang CBPWM Carrier-based Modulation CMV Common-Mode Voltage DFIG Doubly-fed Generator FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh GSC Grid Side Converter Bộ biến đổi phía lưới PLL Phase-lock Loop Vòng khóa pha PMSG Permanent Magnet Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Synchronous Generator PWM Pulse-width Modulation Điều chế độ rộng xung RSC Rotor Side Converter Bộ biến đổi phía rotor SCIG Squirrel Cage Generator SPWM Sinusoidal Modulation SVOC Stator Voltage Control SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian THD Total Harmonic Distortion Độ méo dạng sóng hài tổng VSC Voltage Source Converter Bộ biến đổi nguồn áp WRSG Wound Rotor Synchronous Máy phát đồng bộ rotor dây quấn Generator Điện áp common-mode Induction Máy phát không đồng bộ nguồn kép Induction Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc Pulse-width Điều chế độ rộng xung sử dụng sóng điều khiển dạng sin Oriented Điều khiển định hướng điện áp stator 14 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1-1. Công suất lắp đặt của hệ thống năng lượng gió trên phạm vi toàn cầu từ năm 2001 đến năm 2020 .............................................................................................................. 18 Hình 1-2. Sự phát triển của turbine gió và vai trò của điện tử công suất trong turbine gió, tính từ năm 1980 đến 2020 .................................................................................................. 19 Hình 1-3. Sơ đồ hệ thống turbine gió DFIG ........................................................................ 21 Hình 1-4. Sơ đồ bộ biến đổi back-to-back 2 bậc ................................................................. 21 Hình 1-5. Dòng công suất trong hệ thống DFIG ................................................................. 23 Hình 2-1. Biểu diễn vector x dưới dạng các biến xa, xb, xc trong hệ tọa độ abc ............... 29 Hình 2-2. Phép biến đổi các biến từ hệ tọa độ abc đứng yên sang hệ tọa độ dq ................ 29 Hình 2-3. Phân tích vector x trong hệ tọa độ dq ................................................................ 31 Hình 2-4. Mạch điện tương đương cho mô hình vector không gian của máy điện không đồng bộ ................................................................................................................................ 34 Hình 2-5. Mô hình vector không gian của máy điện không đồng bộ trong hệ quy chiếu đồng bộ ................................................................................................................................ 34 Hình 2-6. Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ tọa độ dq đồng bộ ....................................... 37 Hình 2-7. Sơ đồ kỹ thuật SVOC dùng để điều khiển công suất DFIG ................................. 42 Hình 3-1. Mạch nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc với tải RL ........................................................ 43 Hình 3-2. Đồ thị các vector thực hiện trong kỹ thuật SVM ................................................. 44 Hình 3-3. Kỹ thuật SVM sử dụng 3 vector gần nhất ............................................................ 45 Hình 3-4. Kỹ thuật RCMV 4S SVM ...................................................................................... 47 Hình 3-5. Mô hình áp trung bình cho pha a ........................................................................ 49 Hình 3-6. Giản đồ đóng ngắt linh kiện và đồ thị CMV trong kỹ thuật RCMV CBPWM ..... 51 15 Hình 4-1. Sơ đồ mô phỏng MATLAB/Simulink .................................................................... 53 Hình 4-2. Khối mô phỏng lưới điện ..................................................................................... 54 Hình 4-3. Khối mô phỏng DFIG .......................................................................................... 54 Hình 4-4. Khối mô phỏng RSC ............................................................................................ 56 Hình 4-5: Khối mô phỏng mạch DC-link............................................................................. 57 Hình 4-6. Khối chuyển đổi hệ tọa độ. .................................................................................. 58 Hình 4-7. Cấu trúc bên trong của khối biến đổi abc/dq ...................................................... 58 Hình 4-8. Cấu trúc bên trong của khối biến đổi dq/abc ...................................................... 58 Hình 4-9: Khối điều khiển RSC ........................................................................................... 59 Hình 4-10. Dạng sóng vcar, vrefabc và trạng thái S1, S3, S5 (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ................................................................................................................................ 61 Hình 4-11: Dạng sóng CMV (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ............................ 62 Hình 4-12: Dạng sóng iabcr (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ............................... 63 Hình 4-13: Phân tích FFT iar (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ........................... 64 Hình 4-14: Dạng sóng vabcs và iabcs (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) .................. 65 Hình 4-15: Phân tích FFT ias (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ........................... 66 Hình 4-16: Dạng sóng Ps, Qs (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz) ........................... 67 Hình 4-17: Dạng sóng CMV (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) ............................... 68 Hình 4-18: Dạng sóng iabcr (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) .................................. 69 Hình 4-19: Phân tích FFT iar (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) .............................. 70 Hình 4-20: Dạng sóng vabcs và iabcs (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) ..................... 71 Hình 4-21: Phân tích FFT ias (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz) .............................. 71 16 Hình 4-22: Dạng sóng vcar, vrefabc và trạng thái S1, S3, S5 (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ............................................................................................................................ 74 Hình 4-23: Dạng sóng CMV (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) .......................... 75 Hình 4-24: Dạng sóng iabcr (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ............................. 76 Hình 4-25: Phân tích FFT iar (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ......................... 76 Hình 4-26: Dạng sóng vabcs và iabcs (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ................ 77 Hình 4-27: Phân tích FFT ias (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ......................... 78 Hình 4-28: Dạng sóng Ps, Qs (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz) ......................... 79 Hình 4-29: Dạng sóng CMV (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) ............................. 80 Hình 4-30: Dạng sóng iabcr (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) ................................ 81 Hình 4-31: Phân tích FFT iar (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) ............................ 81 Hình 4-32: Dạng sóng iabcs (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) ................................ 82 Hình 4-33: Phân tích FFT ias (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz) ............................ 83 17 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3-1. Giá trị điện áp pha nghịch lưu và CMV.............................................................. 46 Bảng 4-1. Kết quả tổng hợp các phân tích THD (DFIG 15 kW, Vdc = 400 V) .................... 72 Bảng 4-2. Kết quả tổng hợp các phân tích THD (DFIG 250 kW, Vdc = 800 V) .................. 83 18 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Điện tử công suất trong hệ thống điện gió Trong xu hướng tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm [1]. Hiện nay năng lượng gió là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo [2]. Sự phát triển của năng lượng gió được phản ánh qua sự gia tăng nhanh chóng của công suất lắp đặt các hệ thống turbine gió trên phạm vi toàn cầu. Hình 1-1 cho thấy nếu như vào năm 2001 tổng công suất lắp đặt turbine gió trên toàn thế giới chỉ đạt 24 MW thì đến năm 2005, công suất này đã tăng hơn 2 lần và đạt 59 MW, đến năm 2011 đạt gần 240 MW và dự báo đến năm 2020 là gần 800 MW [2]. Hình 1-1. Công suất lắp đặt của hệ thống năng lượng gió trên phạm vi toàn cầu từ năm 2001 đến năm 2020 (dự báo) [2]. Theo thời gian, kích cỡ và công suất của các turbine gió cũng đã có sự phát triển nhanh chóng: công suất turbine gió đã tăng từ 50 kW (năm 1980) đến 2 MW (năm 2000) và 7,5 MW (năm 2010); đường kính cánh quạt turbine gió đã tăng từ 15 19 m (năm 1980) đến 80 m (năm 2000) và 126 m (năm 2010) [1]. Dự báo đến năm 2020, các turbine gió công suất 15-20 MW với đường kính cánh quạt 150-200 m sẽ được giới thiệu trên thị trường [1]. Đi kèm với sự phát triển về công suất và kích cỡ của các turbine gió, các bộ biến đổi điện tử công suất được sử dụng trong turbine gió cũng có những bước phát triển vượt bậc cả về kiểu sơ đồ mạch cũng như công suất định mức [1], [2]. Hình 1-2 thể hiện sự phát triển về công suất và kích thước của hệ thống turbine gió, cùng với sự phát triển của điện tử công suất trong hệ thống turbine gió [2]. (dự báo) Tốc độ quay Cố định Vai trò của Định mức % điện tử công suất Vai trò Thay đổi Thay đổi một phần 0% 10% 30% Bộ Điều Điều khởi động khiển khiển mềm điện trở công suất rotor rotor 100% Điều khiển công suất toàn phần của máy phát Hình 1-2. Sự phát triển của turbine gió và vai trò của điện tử công suất trong turbine gió từ năm 1980 đến 2020 (dự báo) [2] Các turbine gió được sản xuất trong thập niên 1980 sử dụng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG), do vậy mạch điện tử công suất được dùng chỉ là các mạch khởi động mềm thyristor công suất nhỏ [1], [2]. Đến thập niên 1990, máy phát 20 không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) bắt đầu được sử dụng trong turbine gió, các bộ biến đổi được sử dụng là các mạch cầu diode và mạch băm (chopper) với công suất là 10% công suất định mức máy phát [1], [2]. Từ năm 2000 trở đi, các mạch biến đổi back-to-back với khả năng dẫn dòng công suất theo cả 2 chiều đã được giới thiệu và được ứng dụng trong các hệ thống turbine gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và máy phát đồng bộ nam chân vĩnh cửu (PMSG) [1], [2]. Trong hệ thống DFIG, công suất định mức của bộ biến đổi chiếm 30% công suất máy phát còn trong hệ thống PMSG, tỷ lệ này lên đến 100% [1], [2]. Sự phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất không chỉ giúp hạn chế được các tác động của hiện tượng stress cơ học trên trục turbine gió mà còn mang đến khả năng điều khiển linh hoạt công suất của máy phát, làm cho hệ thống turbine gió có thể dễ dàng kết nối lưới [2]. 1.2. Hệ thống turbine gió DFIG Có nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng trong turbine gió. Ở giai đoạn bắt đầu phát triển của lĩnh vực điện gió, máy phát SCIG được sử dụng trong các turbine gió và được biết đến với tên gọi “kiểu thiết kế Đan Mạch” (Danish concept), hiện nay phần lớn các turbine gió đều sử dụng máy phát DFIG hoặc PMSG [2], [3]. Hệ thống turbine gió sử dụng DFIG đã được nghiên cứu từ thập niên 1990 và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ thập niên 2000 [1]-[4]. Tại thời điểm 2013, hệ thống turbine gió sử dụng DFIG chiếm gần 50% thị trường turbine gió [5]. DFIG dùng trong turbine gió được sản xuất với nhiều phạm vi công suất khác nhau, trong đó phổ biến nhất từ 1,5 MW đến 3 MW. Một số nhà sản xuất còn giới thiệu các mẫu DFIG với công suất lớn, trong đó có hãng Repower (Đức) với 2 mẫu DFIG là 6M, công suất 6150 kW và 5M, công suất 5 MW [5]. Trong hệ thống DFIG, cuộn dây stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong một số trường hợp được kết nối thông qua một máy biến áp. Cuộn dây rotor được kết nối với bộ biến đổi công suất back-to-back trước khi nối trực tiếp vào lưới điện, hoặc nối với lưới thông qua máy biến áp. Trục rotor của DFIG được