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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.42 MB, 76 trang )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DƯƠNG MẠNH LINH
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TỰ ĐỘ NG HÓ A
NGÀNH: TỰ ĐỘ NG HÓ A
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
TRẦN ĐỨC QUỲNH LÂM
TN
2011
THÁI NGUYÊN 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 ĐỘ NG HÓ A
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
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ 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
:
Trần Đức Quỳnh Lâm
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 31 tháng 03 năm 1982
Nơi sinh
:
Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên
Nơi công tác
:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Cơ sở đào tạo
:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Chuyên ngành
:
Tự động hóa
Khóa học
:
K12- TĐH
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
TS. Cao Xuân Tuyển
HỌC VIÊN
Trần Đức Quỳnh Lâm
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 i
rd
, i
rq
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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Gearbox
IG
Soft
starter
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
TransformerPower electronic
converter
≈
=
≈
=
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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 5 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
Gearbox
DFIG
Transformer
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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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).
GridP
g
, Q
g
Stator breaker
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Crowbar
Crowbar
control
W
m
V
w
T
em
* V
bus
*
Q
s
*
Q
f
*
β*
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):
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 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.
GridP
g
, Q
g
P
s
, Q
s
T
em
T
t
P
r
dv/dt
filter
filter
P
f
, Q
f
~
=
=
~
Lever I
(Vector Control)
Lever II
(Wind turbine control strategy)
Stator switch
control
W
m
V
w
T
em
* V
bus
*
Q
s
*
Q
f
*
β*
Stator
Switch
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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 8 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 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.
A
B
C
D
E
Công suất cực đại
Công suất
giới hạn
I1 I2 I3
Tốc độ gió (m/s)
5 10 15 20
u
đm
100
Công suất (%)
A
E
Tốc độ máy phát (v/ph)
50
100
Công suất (%)
B
C
D
25
50
n
đm
n
min
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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 9 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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).
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 10 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 11 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 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.
Lun vn thc s k thut - 12 - Chuyờn ngnh t ng hoỏ
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
Chng 2
Mễ HèNH TON HC I TNG IU KHIN
2.1 Khỏi quỏt v h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ
NLPL
3~
3~
NLMP
3~
MP
u
s
u
N
MĐN
i
N
i
r
i
s
n
DSP
U
DC
Biến thế
IE
HS
NLPL
Nghch l-u phía l-ới
NLMP
Nghịch l-u phía máy phát
MĐN
Máy đóng ngắt
HS
Hộp số
MP
Máy phát
IE
Máy khắc vạch xung
Lọc
Hỡnh 2.1 S cu trỳc h thng phỏt in chy sc giú s dng MKBRTDQ
Hỡnh 2.1 mụ t s cu trỳc mt h thng phỏt in chy sc giú s dng
MKBRTDQ. H thng trờn bao gm mt MKBRTDQ cú cun dõy stator
c ni trc tip vi li in ba pha. Cun dõy phớa rotor c ni vi h thng
bin tn (dựng van bỏn dn) cú kh nng iu khin dũng nng lng i theo hai
chiu. H thng bin tn bao gm hai cm: cm nghch lu phớa li (NLPL) v
cm nghch lu phớa mỏy phỏt (NLMP). Hai cm c ni vi nhau thụng qua
mch in mt chiu trung gian. Cm NLMP cú nhim v iu chnh v cỏch ly
cụng sut hu cụng v cụng sut vụ cụng thụng qua hai i lng
G
m
(mụmen ca
mỏy phỏt) v cụng sut vụ cụng Q ng thi m nhn vic hũa ng b vi li
cng nh iu chnh tỏch mỏy phỏt ra khi li khi cn thit. Cm NLPL trờn thc
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 13 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
DC
u
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
2
ss
f
(
s
f
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 u
s+
(u
N+
), nghĩa
là hệ toạ độ d,q này quay với tốc độ
2
ss
f
so với stator, và một hệ toạ độ quay
ngược dq
-
có trục thực d
-
trùng với vector điện áp lưới ngược u
s-
, quay với tốc độ
s
so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ
là
s
i
,
s
i
; trên hai trục toạ độ dq
+
là
sd
i
,
sq
i
, và trên hai trục toạ độ dq
-
là
-
isd
i
,
-
sq
i
.
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:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 14 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
j
d
s
jq
s
i
sd
i
sq
i
s
s
i
s
i
ss
t
s
u
d
jq
s
ss
t
sd
i
sq
i
Hình 2.2 Biểu diễn các vector dòng stator, điện áp stator, từ thông stator trên hệ
trục toạ độ
và d,q
1
( 2 )
3
s su
s su sv
ii
i i i
(2.1)
0,5( 3 )
0,5( 3 )
su s
sv s s
sw s s
ii
i i i
i i i
(2.2)
cos sin
sin cos
sd s s s s
sq s s s s
i i i
i i i
(2.3)
cos sin
sin cos
s sd s sq s
s sd s sq s
i i i
i i i
(2.4)
s
2 ej2
+ - + - -
sdq sdq sdq sdq sdq sdq
, , ,
s s s
j t j t j t t
ss
i i e i i e i i e i i e
(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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 15 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.3 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:
s
s
s
s
s+
s+ s
d
u R i
dt
(2.6)
Phương trình điện áp rotor:
r
r
r
r
r+
r+ r
d
u R i
dt
(2.7)
Phương trình từ thông stator và rotor:
s r+
s s m
s+ r+
r m r
i L i L
i L i L
(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:
s
+
+
s+
s+ s s s
r
+
+
r+
r+ r r r
++
s+ r+
s s m
++
s+ r+
r m r
d
u R i j
dt
d
u R i j
dt
i L i L
i L i L
(2.9a,b,c,d)
với
sr
(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.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 16 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
s
R
có thể bỏ qua được so với tổng điện
áp rơi trên hỗ cảm stator
m
L
và điện cảm tản
s
L
. Phương trình (2.6) có thể viết lại
gần đúng như sau:
u
s
s
s
s
d
dt
hoặc
s
s+
u
s
s
j
(2.11)
Phương trình (2.11) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp
stator một góc chừng 90
0
, 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
s
i
và từ
thông rotor
r
, giữ lại dòng rotor
r
i
và từ thông stator
s
rồi thay vào 2 phương
trình (2.9a,b) và biến đổi ta có:
/+
r+ s+
/
/+
s+
i
1 1 1 1 1 1 1
i i u u
1 1 1
iu
r
rr
rs
r s s r m
s
r
ss
s s m
d
jj
dt T T T L L
d
j
dt T T L
(2.12)
với
/
/
sm
s
L
Viết (2.12) dưới dạng thành phần ta sẽ thu được mô hình điện toàn phần của
MĐKĐBRTDQ như (2.13).
//
//
/
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1
rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
sd
rd
s
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
d
i
dt T
//
/
//
11
1 1 1
sd s sq sd
sm
sq
rq s sd sq sq
s s m
u
TL
d
iu
dt T T L
(2.13)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 17 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Ở trên đã nhận xét: vector từ thông stator luôn đứng vuông góc với vector điện
áp stator. Trong tương quan cố định đó, việc hướng của vector nào được chọn làm
hướng tựa cho hệ thống điều chỉnh không có ý nghĩa quyết định nữa. Nếu tựa:
theo hướng từ thông stator ta có:
0, 0
sd sq
u
theo hướng điện áp stator ta có:
0, 0
sq sd
u
Hệ phương trình (2.13) cũng có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái
như sau:
A B B
sr
sr
dx
x u u
dt
(2.14)
Trong đó:
vector trạng thái
//T
rd rq sd sq
x i i
T
s sd sq
u u u
là vector biến vào phía stator
T
r rd rq
u u u
là vector biến vào phía rotor
Ma trận hệ thống A
+
, ma trận vào phía stator B
s
+
, và ma trận vào phía rotor B
r
+
có công thức như sau:
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
A
11
0
11
0
r
r s s
r
r s s
s
ss
s
ss
T T T
T T T
TT
TT
(2.15a)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 18 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
0
1
0
B
1
0
1
0
m
m
s
m
m
L
L
L
L
;
1
0
1
0
B
00
00
r
r
r
L
L
(2.15b,c)
Từ phương trình (2.14) ta xây dựng được mô hình trạng thái của
MĐKĐBRTDQ như ở hình 2.3.
B
s
B
r
A
u
s+
u
r+
x
dx
dt
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Hình 2.3 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ
Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ sau khi được
tách ra như sau:
//
//
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
(2.16a,b)
Đặt a =
sr
TT
11
; b =
1
; c =
1
r
L
; d =
m
L
1
; e =
s
T
1
Khi đó mô hình dòng rotor được viết dưới dạng:
//
//
rd
rd r rq sd sq rd sd
rq
r rd rq sd sq rq sq
di
ai i e b cu du
dt
di
i ai b e cu du
dt
(2.17a,b)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 19 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.3.1.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐKĐBRTDQ cho thành phần thứ tự
ngƣợc
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:
ui
ui
ii
ii
s
s
s s s s
r
r
r r r r
sr
s s m
sr
r m r
d
Rj
dt
d
Rj
dt
LL
LL
(2.18a,b,c,d)
với
rs
(2.19)
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 ngược.
Do 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 (2.18c,d) khử dòng stator
-
s-
i
và từ thông
rotor
r
, giữ lại dòng rotor
-
r-
i
và từ thông stator
s
rồi thay vào 2 phương trình
(2.18a,b) và biến đổi ta có:
/-
r- s-
/
/-
s-
i
1 1 1 1 1 1 1
i i u u
1 1 1
iu
r
rr
rs
r s s r m
s
r
ss
s s m
d
jj
dt T T T L L
d
j
dt T T L
(2.20)
với
/
/
sm
s
L
Viết (2.20) dưới dạng thành phần ta sẽ thu được mô hình điện toàn phần của
MĐKĐBRTDQ cho thành phần thứ tự ngược như (2.21).
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 20 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
//
//
/
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1
rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
sd
rd
s
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
d
i
dt T
//
/
//
11
1 1 1
sd s sq sd
sm
sq
rq s sd sq sq
s s m
u
TL
d
iu
dt T T L
(2.21)
Hệ phương trình (2.21) cũng có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng
thái như sau:
A B B
sr
sr
dx
x u u
dt
(2.22)
Trong đó:
vector trạng thái
//T
rd rq sd sq
x i i
T
s sd sq
u u u
là vector biến vào phía stator
T
r rd rq
u u u
là vector biến vào phía rotor
Ma trận hệ thống A
-
, ma trận vào phía stator B
s
-
, và ma trận vào phía rotor B
r
-
có công thức như sau:
1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
A
11
0
11
0
r
r s s
r
r s s
s
ss
s
ss
T T T
T T T
TT
TT
(2.23a)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 21 - Chuyên ngành tự động hoá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
0
1
0
B
1
0
1
0
m
m
s
m
m
L
L
L
L
;
1
0
1
0
B
00
00
r
r
r
L
L
(2.23b,c)
Từ phương trình (2.22) ta xây dựng được mô hình trạng thái của
MĐKĐBRTDQ như ở hình 2.4.
B
s
B
r
A
u
s-
u
r-
x
dx
dt
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Hình 2.4 Mô hình trạng thái của MĐKĐBRTDQ
Hệ phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MĐKĐBRTDQ sau khi được
tách ra như sau:
//
//
1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
rd
rd r rq sd sq rd sd
r s s r m
rq
r rd rq sd sq rq sq
r s s r m
di
i i u u
dt T T T L L
di
i i u u
dt T T T L L
(2.24a,b)
Đặt a =
sr
TT
11
; b =
1
; c =
1
r
L
; d =
m
L
1
; e =
s
T
1
Khi đó mô hình dòng rotor được viết dưới dạng:
//
//
rd
rd r rq sd sq rd sd
rq
r rd rq sd sq rq sq
di
ai i e b cu du
dt
di
i ai b e cu du
dt
(2.25a,b)
