mô phỏng máy phát điện chạy sức gió sử dụng động cơ dị bộ roto lồng sóc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ SỬ DỤNG ĐỘNG
CƠ DỊ BỘ ROTO LỒNG SÓC.
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN CHẠY SỨC GIÓ
1.1 đặc điểm của hệ thống
Các loại máy phát điện chạy sức gió hiện nay đang được sản xuất trên
thị trường có nhiều chủng loại, hoạt động theo nguyên lí khác nhau. Một cấu
trúc cơ bản nhất được mô tả như hình vẽ.
Với đa số các loại máy phát điện chạy sức gió thì điện áp có thể phát
ra khi tốc độ gió đạt 3m/s và ngừng phát điện khi tốc độ gió tăng lên quá
90Km/h. Khi gió thổi quay tuabin, qua hệ thống hộp số sẽ làm quay roto của
máy phát. Từ trường của roto sẽ làm cảm ứng trong stato một sức điện động.
Cuộn dây stato được nối trực tiếp với lưới điện hoặc thông qua một bộ
khởi động mềm. Với máy phát là dị bộ roto dây quấn thì cuộn dây roto được
nối tắt thông qua các điện trở có thể điều chỉnh được. Ngày nay thì điện trở
này được điều chỉnh thông qua bộ biến đổi công suất.
Loại máy phát này không có khả năng phát điều chỉnh công suất phản
kháng mà còn tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống. Do vậy ta cần một
hệ thống tụ bù công suất phản kháng. Dung lượng bù của tụ này có thể được
điều chỉnh phụ thuộc vào hệ số công suất và công suất tác dụng thực của
máy phát.
Hệ thống này chỉ có thể biến đổi tốc độ trong một phạm vi hẹp nên có
thể dẫn tới:
+ Sự thay đổi thường xuyên và trong một dải rộng của tốc độ gió có
thể dẫn tới sự thay đổi đột ngột của momen điện cơ mà hầu như không làm
thay đổi tốc độ vận hành, điều này dẫn tới hộp số, cánh tuabin và máy phát
phải chịu tác động của những lực cơ khí lớn.
+Do tốc độ của tuabin không bám sát theo sự thay đổi tốc độ gió nên
không thể tận dụng tối đa năng lượng của gió. Để giải quyết vấn đề này một
số mô hình máy phát khác được đưa ra như máy phát có điện trở roto có thể

thay đổi được, máy phát có dòng điện đưa vào roto có tần số có thể biến đổi
được hoặc các máy phát điện đồng bộ đi kèm bộ biến tần.
Do tốc độ vận hành của roto khác xa tốc độ vận hành của tuabin nên
cần hộp số, điều này làm tăng chi phí lắp đặt, bảo dưỡng, sửa chữa cho hệ
thống.
1.2 Sơ đồ cẩu trúc của hệ thống.
Tần số của máy phát sẽ phụ thuộc rất lớn vào tần số của lưới điện, nên
ta không thể sử dụng trực tiếp điện áp do máy phát ra. Một khâu biến đổi
điện áp xoay chiều thành một chiều được đưa vào. Sau đó điện áp một chiều
này lại qua khâu biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha có tần số phù hợp
với tần số của lưới. Điện áp được hòa vào lưới khi qua biến áp để có được
cấp điện áp như ý muốn. Ngoài ra máy biến áp cũng có mục đích cách li lưới
điện với hệ thống điều khiển và hệ thống máy phát.
Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện thì dòng năng lượng phía máy có thể
xảy ra các trường hợp sau:
+ Gió thổi quay cánh quạt ứng với tần số cao hơn tần số của lưới điện:
đó là chế độ vận hành trên đồng bộ, máy điện cấp năng lượng cho lưới.
+ Gió thổi cánh quạt quay ứng với tần số thấp hơn tần số của lưới
điện: đó là chế độ vận hành dưới đồng bộ, máy điện lấy năng lượng từ lưới
qua roto.
NI
GI
Control
elektronic
DFIM
3
3
3
ir
is

IE
Un
Us
Hình 1.1
Sơ đồ khối máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện dị bộ roto day
quấn.
+ U
N
, U
S:
điện áp lưới, điện áp stato
+ U
DC :
điện áp mạch một chiều trung gian
+ i
r
, i
s
, i
N
: dòng roto, stator và phía lưới
+ IE: cảm biến tốc độ.
CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG SIMULINK
2.1 mô tả toán học máy phát điện 3 pha dây quấn sử dụng động cơ dị bộ
roto dây quấn
Máy điện dị bộ roto dây quấn (MĐDB-RDQ) được mô tả bởi các
phương trình trên hệ tọa độ (
αβ
) như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế của máy điện dị bộ trong hệ tọa độ (
αβ
)

dt
d
i.Ru
dt
d
i.Ru
r
rrr
s
sss
ψ
+=
ψ
+=
(2.1)
Khi hòa đồng bộ với lưới thì stato của máy phát được nối với lưới vì vậy
u
N
= u
S

ssN
s
ju
dt
d

ψω≈⇒
ψ
≈
Nghĩa là vecto điện áp lưới và vecto từ thông Stato của máy phát luôn
vuông góc với nhau. Thuận lợi cho việc mô hình hóa. Mặt khác, thiết bị điều
khiển được đặt ở phía roto và ta có cơ hội để sử dụng dòng roto làm biến
điều khiển trạng thái của máy phát. Vì vậy, trong mô hình 2.1 ta sẽ tìm cách
thông qua từ thông.
rrsmr
rmsss
i.Li.L
i.Li.L
+=ψ
+=ψ
Từ hai phương trình trên ta có:

)
m
L.
s
i
s
(
r
L
m
L
s
L.s
i

s
)
m
L
s
ir(
Lr
1
r
i
−ψ+=ψ
−ψ=
Thay i
s
và
s
ψ
vào 2.1 và đặt
)LL/(L1
rs
2
m
−=σ
,
rrr,s/ss
R/LTRLT ==
, sau khi
biến đổi ta có:

dt

d
j
TL
L
i
dt
d
L
L
dt
dis
LiRu
r
r
r
r
r
m
s
s
r
r
m
ssss
ψ
ωψ
ψ
ψ
σ
+−+=

++=
)
1
(0
.
Biến đổi phương trình trên sang dạng từng phần tử vecto ta có:














ψω+ψ−=
ψ
ψω−ψ−=
ψ
σ
+ψ
σ
σ−
+ψω
σ

σ−
+








σ
σ−
+
σ
−=
σ
+ψω
σ
σ−
+ψ
σ
σ−
+









σ
σ−
+
σ
−=
αββ
β
βαα
α
βααβ
α
αβαα
α
rrr
r
s
r
m
r
rrr
r
s
r
m
r
s
s
r
rm

rr
m
s
rs
s
s
s
rr
rm
r
rm
s
rs
s
T
1
i
T
L
dt
d
T
1
i
T
L
dt
d
u
L

1
TL.
1
L
1
i
T
1
T
1
dt
di
u
L
1
TL.
1
TL
1
i
T
1
T
1
dt
di
Để đảm bảo vận hành máy điện ở hai chế độ như đã nói trên, thiết bị
biến đổi ở cả hai phía lưới và máy phát đều phải là khối có khả năng điều
khiển dòng năng lượng chảy theo hai chiều. Nối giữa hai khối là điện áp một
chiều sử dụng tụ lọc. Mô hình được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1: Mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức gió
Mô hình 2.1 là một hệ thống phức hợp được gom lại thành ba khối
chính: Khối “generator Side” mô tả mô hình máy phát với hệ thống điều
khiển, khối “ Net side” với mô hình phía lưới và hệ thống điều khiển. Hai
khối đó trao đổi điện năng với nhau thông qua khối “DC link”. Ta tiến hành
nghiên cứu từng khối.
2.1 Khối Generator Side với mô hình máy phát và hệ thống điều khiển
2.3. khối DC link và mô hình mạch điện trung gian
Trên cơ sở cấu trúc thiết bị hình(1.1) ta biết năng lượng phía lưới và
phía máy phát trao đổi điện năng với nhau qua mạch điện một chiều trung
gian với điện áp U
DC
. Trong sơ đồ mạch được mô tả bởi khối “DC link”
Để đơn giản bớt việc mô hình hóa ta tạm giả thiết: Công suất vô công
ở cả hai phía máy phát và phía lưới đã được điều chỉnh ổn định ( Tùy theo
chế độ vận hành trên hay dưới đồng bộ) chỉ xảy ra trao đổi năng lượng do
biến động công suất hữu công từ tuabin gió trên lưới.
Sơ đồ nguyên lí của mạch một chiều trung gian

Hình : sơ đồ mạch một chiều trung gian.
Đại lượng điều khiển công suất hữu công phía lưới là i
Td
, phía máy
phát là i
rq,
và dòng chảy qua tụ lọc C là i
C
. Phương trình mô tả mạch là:

dt)ii(

C
1
Uu
iii
dt
du
Ci
rqTd0DCDC
rqTdC
DC
C
∫
−
−
+=⇒





=
=
Với phương trình trên ta xây dựng mô hình SIMULINK của mạch
một chiều trung gian như hình
Hình 2. Sơ đồ SIMULINK của mạch
a. trong hệ toạ độ sato.
Hệ toạ độ này có tên gọi là hệ (a,b) được gán vơí stato trong đó trục a chọn
trùng với trục dây quấn pha a của satto nghĩa là

Ta có