Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép khi xảy ra lỗi lưới không đỗi xứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN VĂN THẢO



MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP KHI XẢY RA
LỖI LƯỚI KHÔNG ĐỖI XỨNG














2012
i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i
LỜI CAM ĐOAN iv
LỜI CẢM ƠN v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH SÁCH BẢNG vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ viii
LỜI MỞ ĐẦU x
1.Tính cấp thiết của đề tài x
2. Mục đích của đề tài x
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu xi
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện. xi
5. Cấu trúc luận văn. xi
CHƢƠNG 1 1
MÔ HÌNH HÓA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI XỨNG. 1
1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình thƣờng của lƣới điện
1
1.2 Mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng. 2
1.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ 2
1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng. 4
1.3 Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng. 10
CHƢƠNG 2 12
MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 12
2.1. Đặt vấn đề. 12
2.1.1.Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép: 13
2.1.2. Nguyên lý hoạt động MPKĐBNK 15
2.1.3. Phạm vi hoạt động MPKĐBNK 16
2.2 Mô hình toán của máy phát không đồng bộ nguồn kép. 17
ii

CHƢƠNG 3 24

NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG
ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP 24
3.1 Tổng quan về các cấu trúc điều khiển MPĐKĐBNK 24
3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 25
3.2.1 Mô hình dòng rotor 25
3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ
điều chỉnh dòng hai chiều. 26
3.2.3 Các biến điều khiển công suất hữu công và công suất phản kháng phía
máy phát 28
3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 30
3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển 31
3.3.2 Bộ điều khiển tựa thụ động 33
3.3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i
rd
34
3.3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng i
rq
35
3.4 Các khâu tính toán giá trị thực và đặt. 37
3.5 Hòa đồng bộ máy phát lên lƣới. 39
3.5.1 Điều kiện cùng tần số. 39
3.5.2 Điều kiện trùng pha 41
3.5.3 Điều kiện trùng biên độ điện áp. 42
3.6 Mô hình và cấu trúc điều khiển phía lƣới 42
3.6.1 Mô hình phía lƣới 42
3.6.2 cấu trúc điều khiển phía lƣới 45
CHƢƠNG 4 48
MÔ PHỎNG MỘT SỐ CHẾ ĐỘ LỖI LƢỚI 48
4.1 Kết quả mô phỏng 48
4.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió 49

4.1.2 Các kết quả mô phỏng khi lỗi lƣới. 55
4.1.2.1 Các kết quả mô phỏng trong chế độ làm việc bình thƣờng 56
4.1.2.2 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới
đối xứng 58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iii

4.1.2.3 Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi lƣới
không đối xứng 60
4.2 Kết luận và kiến nghị: 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iv

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các tài
liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm
đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang là trung
thực.


Thái nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2012
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thảo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
v

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian hơn 2 năm học và tập nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên tôi đã đƣợc giao đề tài luận văn tốt nghiệp với nội
dung: “Mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ
nguồn kép khi xảy ra lỗi lƣới không đỗi xứng”. Với sự giúp đỡ ủng hộ của các
thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp, gia đình cũng nhƣ sự nỗ lực của bản thân đến
nay tôi đã hoàn thành bản luận văn với đầy đủ nội dung của đề tài.
Tuy nhiên, do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo và trình độ ngoại
ngữ, đồng thời thời gian nghiên cứu không dài cũng nhƣ đây là một lĩnh vực còn
tƣơng đối mới mẻ nên bản luận văn của tôi sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè
đồng nghiệp và những ai quan tâm đến vấn đề này để bản luận văn đƣợc hoàn chỉnh
và có ý nghĩa hơn.
Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang đã trang bị kiến thức,
dẫn dắt, chỉ bảo và động viên tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo, các cán bộ giảng dạy thuộc Khoa
Điện Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình
học tập cũng nhƣ nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn


Nguyễn Văn Thảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

BBĐ
Bộ biến đổi
BĐK
Bộ điều khiển.
CL
Chỉnh lƣu
DFIG
Double fed induction generator
ĐC
Điều chỉnh
ĐK
Điều khiển
J
Mômen quán tính
MP
Máy phát
MPKĐBNK
Máy phát không đồng bộ nguồn kép
NL
Nghịch lƣu
PBC
Passivity – Based Control
TTGTĐ
Tính toán giá trị đặt
THD
Total harmonic distortion
z
p

Số cực đôi của máy phát
rd rq sd sq
i ,i ,i ,i

Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ tọa độ dq
rr
i ,i


Các thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ


rd
PBC PBC
rq
u ,u

Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa theo thụ
động trong hệ tọa độ dq
rd rq sd sq
u ,u ,u ,u

Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ dq
m
L

Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor
r m r
L L L




Điện cảm rotor
s m s
L L L



Điện cảm stator
s
L


Điện cảm tản rotor
s
L


Điện cảm tản stator
r
R

Điện trở rotor
s
R

Điện trở stator
G
m

Mômen máy phát
N s r
u ,u ,u

Vector điện áp phia lƣới, stator, rotor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1.1: Các thông số của MPKĐBNK……………………………………… 48




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ

1.1.1
Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCDB ba pha
3
1.1.2
Hình 1.2:a, Biểu diễn các đại lƣợng ba pha trên hệ trục tọa độ cố
định

b, sự biến đổi giữa các hệ trục

và

dq
.

5
2.1
Hình 2.1:Máy phát không đồng bộ nguồn kép
13
2.1.1
Hình 2.2: Đặc tính mômen, tốc độ làm việc của MPKĐBNK
14
2.1.2
Hình 2.3: Chiều của dòng năng lƣợng qua MPKĐBNK ở 2 chế độ.
a. Chế độ dƣới đồng bộ ; b. Chế độ trên đồng bộ
16
2.1.3
Hình 2.4:Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK
17
2.2
Hình 2.5: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB
20
2.2
Hình 2.6: Mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB dƣới dạng ma trận
con
22
3.1
Hình 3.1: Các phƣơng pháp điều khiển MPKĐBNK
23
3.2.2
Hình 3.2: Đặc tính vector, áp, từ thông của
26

3.2.3
Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển phía máy phát
28
3.2.3
Hình 3.4: Hệ thống điều khiển phía MP sử dụng BĐK tuyến tính
29
3.3.1
Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát
30
3.3.1
Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển phía máy phát
32
3.3.2.2
Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL
36
3.3.2.2
Hình 3.8: Sơ đồ điều chỉnh thông số dòng thành phần i
rq
tựa theo EL
36
3.5.2
Hình 3.9: Quan hệ giữa các vector trong thực hiện hòa đồng bộ
40
3.6
Hình 3.10 : (a) Mạch điện phía lƣới và (b) sơ đồ tƣơng đƣơng
42
3.6
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía lƣới

45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ix

4.1.1
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống
48
4.1.1
Hình 4.2: Khối lƣới, bộ biến đổi và máy phát không đồng bộ 3 pha
rotor dây quấn
49
4.1.1
Hình 4.3: Các khối mô phỏng bên trong của lƣới, máy phát và bộ
biến đổi
50
4.1.1
Hình 4.4: Bộ biến đổi nghịch lƣu phía lƣới và phía máy phát (back
to back converter)
50
4.1.1
Hình 4.5: Vòng điều khiển ngoài để tính toán giá trị mong
muốn
*
rd
i
và
*
rq
i

51
4.1.1
Hình 4.6: Khối tính toán các giá trị dòng, áp, từ thông
52
4.1.1
Hình 4.7: Khối bộ điều khiển dòng rotor có kể đến dự báo dòng,
hiệu chỉnh sai lệch
52
4.1.1
Hình 4.8: Khối tổng hợp bộ điều khiển dòng và giá trị
53
4.1.1
Hình 4.9: Khối hòa đồng bộ
53
4.1.1
Hình 4.10: Khối điều khiển phía lƣới
54
4.1.2.1
Hình 4.11: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm
việc bình thƣờng
56
4.1.2.2
Hình 4.12: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi
lƣới đỗi xứng
58
4.1.2.3
Hình 4.13: Các kết quả mô phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi
lƣới không xứng
60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

x

LỜI MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Việt Nam cũng nhƣ thế giới,
nhu cầu sử dụng năng lƣợng ngày một tăng. Trong khi đó các nhà máy điện sử dụng
các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ thủy điện, nhiệt điện… là các dạng năng
lƣợng cũng đang dần cạn kiệt, gây mất căn bằng sinh thái và ô nhiễm môi trƣờng.
Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy điện nguyên tử có chi phi lớn và cũng
tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn. Do vậy năng lƣợng tái tạo hay còn gọi là năng
lƣợng phi truyền thống nói chung, năng lƣợng gió nói riêng là một trong những lĩnh
vực quan trọng và đang dần đƣợc quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi.
Các hệ thống tuốcbin gió hiện đại thƣờng có xu hƣớng sử dụng MPKĐBNK
để giảm giá thành do MPKĐBNK có những ƣu điểm rất nổi bật là stator của
MPKĐBNK đƣợc nối trực tiếp với lƣới điện, còn rotor nối với lƣới qua thiết bị điện
tử công suất điều khiển đƣợc. Chính vì thiết bị điều khiển cho MPKĐBNK nằm ở
rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và
dòng năng lƣợng thu đƣợc chảy trực tiếp từ stator sang lƣới. Đây chính là ƣu điểm
vƣợt trội của MPKĐBNK so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm
giữa stator và lƣới. Tuy nhiên, cấu trúc ấy lại khiến cho MPKĐBNK khó điều khiển
hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống sự cố xảy ra trên lƣới. Khi có sự cố
trên lƣới điện, điện áp sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao
động rất mạnh. Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu
trị số các sức điện động này lớn có thể gây ra dòng rất lớn, phá hỏng bộ biến đổi.
Bởi vậy, việc hiểu và làm chủ đƣợc các chế độ vận hành đặc biệt đó là điều kiện bắt
buộc khi hòa lƣới quốc gia hệ thống phát điện chạy sức gió.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu và mô phỏng MPKĐBNK khi xảy ra lỗi lƣới, đặc biệt là với lỗi
lƣới không đối xứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xi

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là máy phát không đồng bộ nguồn kép.
- Phạm vi nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống
phát điện sức gió sử dụng MPKĐBNK trên phần mềm Matlab – Simulink – Plecs
khi xảy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiện.
- Nghiên cứu, khảo sát đặc tính của lƣới khi xẩy ra các lỗi lƣới không đối
xứng.
- Nghiên cứu, khảo sát các tƣơng tác qua lại giữa hệ thống PĐCSG với lƣới
khi xẩy ra lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng
- Từ đó đƣa ra các quyết định khi đầu tƣ vào hệ thống PĐCSG
5. Cấu trúc luận văn.
Luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng và không đối xứng
Chƣơng 2: Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép
Chƣơng 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khiển máy phát không đồng bộ
nguồn kép
Chƣơng 4: Mô phỏng một số chế độ lỗi lƣới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1

CHƢƠNG 1
MÔ HÌNH HÓA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHÔNG ĐỐI
XỨNG.
1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc không bình
thƣờng của lƣới điện
Nhƣ đã biết, tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một

khoảng thời gian vận hành đƣợc gọi là chế độ làm việc của hệ thống điện. Đặc
trƣng của chế độ làm việc là các thông số nhƣ điện áp, dòng điện, công suất tác
dụng, công suất phản kháng Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian (hàm
phụ thuộc thời gian). Trong thực tế ngƣời ta còn chia các chế độ làm việc của hệ
thống điện thành các loại chế độ khác nhau tùy theo sự biến đổi của các thông số.
Trạng thái làm việc của một hệ thống điện đƣợc coi là bình thƣờng nếu các
thông số của nó nằm trong một khoảng cho phép theo một tiêu chuẩn nào đó. Trong
thực tế, điện áp, tần số và tính đối xứng của hệ thống ba pha là các thông số thƣờng
nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt của cả các nhà cung cấp và các hộ tiêu thụ điện do
sự nhạy cảm của các thiết bị tiêu thụ điện trong công nghiệp đối với các thông số
này.
Do công suất điện liên tục biến đổi cả trong điều kiện làm việc bình thƣờng
của lƣới điện cũng nhƣ trong các tình huống không thể tránh đƣợc, chẳng hạn nhƣ
do sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện, làm cho các thông số của hệ thống điện có
thể vƣợt quá các giới hạn cho phép. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy lƣới điện đƣợc coi là
đang trong trạng thái làm việc không bình thƣờng.

• Sập lƣới: Theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 thì sập lƣới đƣợc định nghĩa là sự suy
giảm từ (10 - 90)% của điện áp danh định trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ cho
đến 1 phút [11].
• Lỗi lƣới: Đƣợc chia ra hai trƣờng hợp lỗi lƣới đối xứng và lỗi lƣới không đối
xứng. Trong khuôn khổ đề tài lỗi lƣới đối xứng đƣợc xem là khi biên độ các pha
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2

điện áp lƣới bị suy giảm với độ sâu sập lƣới nhƣ nhau. Lỗi lƣới không đối xứng ở
đây đƣợc hiểu là sự mất đối xứng về biên độ giữa các pha điện áp lƣới.
1.2 Mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng.
1.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ
Để mô tả động học của MPKĐBNK và lƣới ta có thể sử dụng hệ phƣơng trình

vi phân, nhƣng những phƣơng trình vi phần này thƣờng cồng kềnh và phức tạp.
Trƣớc tình hình đó, để giảm độ phức tạp của các phƣơng trình vi phân mô tả động
học của MPKĐBNK và lƣới thì các đại lƣợng ba pha nhƣ dòng điện, điện áp, từ
thông thƣờng đƣợc mô tả bởi các biến trên một hệ trục tọa độ hai pha mới. Hệ trục
tọa độ mới này có thể là một hệ trục tọa độ cố định hoặc một hệ trục tọa độ quay
[17, 25]. Công cụ để chuyển đổi các đại lƣợng từ một hệ trục tọa độ cố định sang
một hệ trục tọa độ quay và ngƣợc lại là các phép biến đổi Clarke và Park[1, 24].
Động cơ dị bộ ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator đƣợc bố trí
nhƣ hình vẽ (1.1).Trong các hệ thống truyền động điện hiện đại, tất cả các đại lƣợng
ba pha có thể đƣợc biến đổi sang một hệ trục tọa độ quay và thƣờng đƣợc gọi là hệ
trục tọa độ quay
dq
hai pha. Khi đó các tính toán đƣợc thực hiện với biên độ và góc
pha của chúng trên các hệ trục tọa độ
dq
này .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3








Đặt
s

là ký hiệu đặc trƣng cho các đại lƣợng ba pha. Giá trị tức thời của từng

pha, đƣợc ký hiệu là
sa

,
sb

, và
sc

thỏa mãn phƣơng trình sau:



00
j120 j240
s sa sb sc
2
ee
3
      

trong đó: vì ba pha a, b, c đối xứng nên
sa sb sc
(t) (t) (t) = 0  
, chỉ số dƣới "s" biểu
thị các đại lƣợng trong hệ thống cuộn dây stator
Bây giờ ta thiết lập một hệ trục tọa độ mới, ký hiệu là

, trong đó trục


trùng với
0
j0
e
nhƣ đƣợc biểu diễn trên hình 1.2. Khi đó:


trong đó,
s
T
0
s s s s s0
s0
=


  




     





,
 

sa
T
abc
s sb sa sb sc
sc
=



     




.
Chú ý rằng
s0

là thành phần zero đƣợc thêm vào để ma trận
sf
T
nghịch đảo đƣợc.
ma trận biến đổi
sf
T
đƣợc cho bởi [24]



sf

11
1
22
2 3 3
= 0 .
3 2 2
1 1 1
2 2 2











T
0 abc
s sf s
= (1.1)

T

Rotor
Stator
Pha B
Pha A

Pha C
Roto
U
s
U
s
U
s
Hình 1.1Sơ đồ đấu dây và điện áp stator
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4

 
11
1
2
22
= 1.5
3
33
0
22










T
và
Trong trƣờng hợp tổng quát, nếu

là một hệ tọa độ cố định trong mặt phẳng
phức và
dq
là một hệ tọa độ mới với góc quay
f

(xem hình 1.2) thì

dq
s rf s
=

T
(1.2)
trong đó
T
s
s s s
s
=








   




,
T
d
dq
s d q
q
=



   




, và ma trận biến đổi

ff
rf
ff
cos sin
=
sin cos




  

T


1.2.2 Phép biến đổi Park của hệ thống ba pha không đối xứng.
Nhƣ chúng ta đã biết một hệ thống ba pha không đối xứng có thể đƣợc biểu
diễn bởi các phƣơng trình điện áp sau:




Các điện áp trên đƣợc biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định

nhƣ sau:


trong đó:




a
abc b
c
u
u

= , = u ,
u
u











uu
abc
= (1.4)
 
u T u
a a a
b b a
c c a
ˆ
u (t) = 2U sin( t )
2
ˆ
u (t) = 2U sin( t ) (1.3)
3
2
ˆ

u (t) = 2U sin( t )
3
  

   

   
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5









Tiếp theo, các đại lƣợng trên hệ trục tọa độ

có thể đƣợc biến đổi sang hệ
trục tọa độ quay
dq
nhƣ sau:

Từ các phƣơng trình (1.4) và (1.6) ta có thể viết đƣợc nhƣ sau:



Biến đổi phƣơng trình (1.7) ta đƣợc:

a
d
b
q
c
d
q
1 3 1 3
u (t)
cos cos sin cos sin
u (t)
2
2 2 2 2
u (t)
u (t)
3
1 3 1 3
u (t)
sin cos sin cos sin
2 2 2 2
22
cos cos( ) cos( )
u (t)
2
33
=
u (t)
22
3
sin sin( ) sin( )

33


        










       





   





       

 
a

b
c
u (t)
u (t) 1.8
u (t)












a
d
b
q
c
11
u (t)
1
u (t)
cos sin
2
22
= u (t) (1.7)

u (t)
sin cos
3
33
u (t)
0
22












  








 
d

q
u (t)
u (t)
cos sin
= 1.6
u (t)
u (t)
sin cos









  



0
j0
e

j



d








Hình1.2: a, Biểu diễn các đại lƣợng ba pha trên hệ trục tọa độ cố định
b, Sự biến đổi giữa các hệ trục và
a)
b)



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6

Thay phƣơng trình (1.3) vào phƣơng trình (1.8) ta có

Biến đổi lƣợng giác ta có:
a a a
11
cos sin( t ) = sin( t ) sin( t )
22
           

a a a
2 2 1 4 1
sin( t )cos( ) = sin( t ) sin( t )
3 3 2 3 2
  
             

a a a
2 2 1 4 1
sin( t )cos( ) = sin( t ) sin( t )
3 3 2 3 2
  
              

a a a
11
sin( t )sin( ) = cos( t ) cos( t )
22
            

a a a
2 2 1 1 4

sin( t )sin( ) = cos( t ) cos( t )
3 3 2 2 3
  
              

a a a
2 2 1 1 4
sin( t )sin( ) = cos( t ) cos( t )
3 3 2 2 3
  
              






ba
d
aa
q
aa
ba
c
22
ˆ
U cos( )sin( t )
ˆ
u (t)
U cos sin( t )

22
33
=
ˆ
u (t)
22
33
U sin sin( t )
ˆ
U sin( )sin( t )
33
ˆ
U cos(
2

3


     


   






    





      




a
ca
22
)sin( t )
33
22
ˆ
U sin( )sin( t )
33


    




      


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7

Thay các biến đổi trên vào phƣơng trình (1.8) ta đƣợc:

d
a a a a
q
a a a a
ˆˆ
u (t)
U sin( t ) U sin( t )
1
=
ˆˆ
u (t)
3
U cos( t ) U cos( t )

        



           





b a b a
b a b a
c a c a
c a c a

4
ˆˆ
U sin( t ) U sin( t )
1
3

4
3
ˆˆ
U sin( t ) U cos( t )
3
4
ˆˆ
U sin( t ) U sin( t )
1
3

4
3
ˆˆ
U sin( t ) U cos( t )
3


           






            




           





            




Hay:




Nếu ta chọn trục tọa độ
d
nằm trùng với trục của pha A thì
=t
và khi đó
phƣơng trình trên có dạng đơn giản hơn nhƣ sau [23]:

d
a b c a

q
a b c a
a a b a c a
a a b a c a
ˆ ˆ ˆ
u (t)
(U U U )sin( )
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos( )
44
ˆ ˆ ˆ
U sin(2 t ) U sin(2 t ) U sin(2 t )
1
33

44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t )
33

  



   






           





             


 
1.9




d
a b c a
q
a b c a
ˆ ˆ ˆ
u (t)
(U U U )sin( t )
1
=
ˆ ˆ ˆ

u (t)
3
(U U U )cos( t )

     



       



a a b a c a
a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin( t ) U sin( t ) U sin( t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33


                  






                   


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8

Khi hệ thống cân bằng
a b c
ˆ ˆ ˆ ˆ
U = U = U U
thì thành phần thứ 2 của phƣơng
trình (1.9) có thể đƣợc biến đổi nhƣ sau:



Biến đổi tƣơng tự nhƣ trên ta có:
a a b a c a
a a a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin(2 t ) U sin(2 t ) U sin(2 t )
33
44
Usin(2 t ) Usin(2 t ) Usin(2 t ) 0
33

            


             

Nhƣ vậy khi hệ thống cân bằng
a b c
ˆ ˆ ˆ ˆ
U = U = U U
thì thành phần thứ hai của
phƣơng trình (1.9) bằng 0. Khi hệ thống mất cân bằng thì trong thành phần của
d
u

và
q
u
có cả các thành phần một chiều không đổi và thành phần thứ hai với tần số
biến đổi là
2
.
Phƣơng trình (1.4) có thể đƣợc áp dụng cho cả hệ thống ba pha cân bằng và
không cân bằng. Đối với hệ thống ba pha không cân bằng, các điện áp trên hệ trục
tọa độ

có thể đƣợc phân tích thành các thành phần thứ tự thuận và ngƣợc nhƣ
sau:


Các chỉ số
t
và
n

trong phƣơng trình (1.10) dùng để biểu thị các thành phần
thứ tự thuận và ngƣợc tƣơng ứng.
Tiếp theo, các thành phần thứ tự thuận và ngƣợc trên hệ trục tọa độ

có thể
đƣợcbiến đổi sang hệ trục tọa độ quay
dq
nhƣ sau:
 
tn
tn
u (t)
u (t) u (t)
=
u(
1.1
t)
u (t) u (t)
0














   
   
a a b a c a
aa
aa
44
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t )
33
4
U cos 2 t 2cos 2 t cos
3
U cos 2 t 2cos 2 t 0

             
   

        




         


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9

Từ các phƣơng trình (1.4), (1.11) và (1.12) ta có thể viết đƣợc nhƣ sau:

a
t
d
b
t
q
c
11
u (t)
1
u (t)
cos sin
2
22
= u (t)
u (t)
sin cos
3
33
u (t)
0
22













  









(1.13)

a
n
d
b
n
q
c
11

u (t)
1
u (t)
cos sin
2
22
= u (t)
u (t)
sin cos
3
33
u (t)
0
22





  

















(1.14)
Biến đổi các phƣơng trình (1.13) và (1.14) ta đƣợc

a
t
d
b
t
q
c
22
u (t)
cos cos( ) cos( )
u (t)
2
33
= u (t)
u (t)
22
3
sin sin( ) sin( )
u (t)
33




  










     




(1.15)

a
n
d
b
n
q
c
22
u (t)
cos cos( ) cos( )

u (t)
2
33
= u (t)
u (t)
22
3
sin sin( ) sin( )
u (t)
33



   










   




(1.16)

Thay phƣơng trình (1.3) vào phƣơng trình (1.15) và (1.16) ta có:
t
a b c a
d
t
q
a b c a
ˆ ˆ ˆ
(U U U )sin( t )
u (t)
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos( t )


     


      





a a b a c a
a a b a c a
44

ˆ ˆ ˆ
U sin( t ) U sin( t ) U sin( t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33


                  





                



 
t
t
d
t
t
q
u (t)
u (t)

cos sin
=
u (t)
u (t)
sin cos
1.11









  





 
n
n
d
n
n
q
u (t)
u (t)

cos sin
=
u (t)
u (t)
sin cos
1.12




  










Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10

n
a b c a
d
n
q
a b c a

ˆ ˆ ˆ
(U U U )sin( t )
u (t)
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos( t )


      


       





a a b a c a
a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin( t ) U sin( t ) U sin( t )
1
33
44
3
ˆ ˆ ˆ

U cos( t ) U cos( t ) U cos( t )
33


                  





                



Nếu ta chọn trục tọa độ
d
nằm trùng với pha A thì
=t
và khi đó các
phƣơng trình trên có dạng đơn giản hơn nhƣ sau:







1.3 Mô hình hóa lỗi lƣới đối xứng.
Từ phƣơng trình (1.3) và định nghĩa cuả hệ thống 3 pha đối xứng ta có phƣơng
trình điện áp:

t
a b c a
d
t
q
a b c a
ˆ ˆ ˆ
(U U U )sin( )
u (t)
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos( )


  


   




 
a a b a c a

a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin(2 t ) U sin(2 t ) U sin(2 t )
1
33

44
3
ˆ ˆ ˆ
U cos(2 t ) U cos(2 t ) U cos(2 t
1.17
)
33


            





           


n
a b c a
d
n
q

a b c a
ˆ ˆ ˆ
(U U U )sin(2 t )
u (t)
1
=
ˆ ˆ ˆ
u (t)
3
(U U U )cos(2 t )


    


     




 
a a b a c a
a a b a c a
44
ˆ ˆ ˆ
U sin( ) U sin( ) U sin( )
1
33

44

3
ˆ ˆ ˆ
U cos( ) U cos( ) U
1.1
cos( )
33
8


      





      


 
 
aa
ba
ca
U (t) 2Usin t
2
U (t) 2Usin t
3
2
U (t) 2Usin t
3

1.19
   


    




    


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11

(1.21)
Trong khuân khổ của đề tài ta hiểu lỗi lƣới đối xứng là khi biên độ các pha
điện áp lƣới bị suy giảm với độ sâu sập lƣới nhƣ nhau (theo tỷ lệ phần trăm). Hay
nói các khác lúc này đây giá trị điện áp U của chúng ta sẽ bằng
'
U
mà theo tiêu
chuẩn IEEE 1159-1995 thì
'
U 10%U 

Lúc này phƣơng trình (1.19) sẽ trở thành:
 
 
'

aa
'
ba
'
ca
U (t) 2U sin t
2
U (t) 2U sin t
3
2
U (
1.20
t) 2U sin t
3
   


    




    


Thay phƣơng trình (1.20) vào phƣơng trình (1.15) và (1.16) ta có
t
'''
d
a

t
'''
q
a
u (t)
(U U U )sin( t )
1
=
u (t)
(U U U )cos( t )
3


     


       





Nhƣ đã lập luận ở trên khi hệ thống cân bằng
a b c
ˆ ˆ ˆ ˆ
U = U = U U
thì thành phần
thứ 2 của phƣơng trình (1.9) bằng 0 nhƣ vậy phƣơng trình (1.20) sẽ trở thành:

Vì đây là hệ thống ba pha đối xứng nên thành phần thứ tự nghịch (3 thành
phần quay ngƣợc lại của 3 pha) sẽ luôn lệch pha nhau 120
0
nên cộng lại bằng 0.
Kết luận chƣơng 1:
- Nghiên cứu mô hình hóa lỗi lƣới không đối xứng và đối xứng
' ' '
a a a
' ' '
a a a
44
Usin( t ) Usin( t ) Usin( t )
1
33
(1.20)
44
3
Ucos( t ) Ucos( t ) Ucos( t )
33


                





                 



t
'
d
a
t
'
q
a
u (t)
3Usin( )
1
=
u (t)
3Ucos( )
3









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12


CHƢƠNG 2
MÔ HÌNH MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP

2.1. Đặt vấn đề.
Máy phát là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cung
cấp điện, nó có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng cơ năng thành điện năng. Các loại
máy phát có thể sử dụng nhƣ: Máy phát điện một chiều, máy phát điện xoay chiều
đồng bộ, máy phát điện xoay chiều không đồng bộ…. Trong những năm gần đây
ngƣời ta đã phát triển và sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép.
Lý do sử dụng của máy phát không đồng bộ nguồn kép:
* Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch cơ khí và dòng điện
một chiều để kích thích máy phát. Vì vậy nó có thể làm việc một cách tin cậy hơn
với giá thành và chi phí bảo dƣỡng thấp. Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ
rotor dây quấn có thể đƣợc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của
rotor hoặc đƣa thêm hay thu hồi công suất, đƣợc gọi là công suất trƣợt ở rotor.
Các máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn nhƣ vậy đƣợc gọi là máy phát
điện không đồng bộ nguồn kép DFIG (doubly-fed induction generator).
Hiện nay ngƣời ta đã chế tạo và sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn
kép với nhiều cải tiến và mang lại hiệu quả tốt hơn. MPKĐBNK có Stator ghép trực
tiếp vào lƣới, còn phía Rotor đƣợc nối với lƣới qua thiết bị điều khiển (hình 2.1).




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13

MPKĐBNK đƣợc xem là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống chuyển đổi năng
lƣợng có tốc độ thay đổi( cỡ khoảng

30% tốc độ đồng bộ). Bởi vì bộ biến đổi
công suất đặt bên phía rotor nên làm giảm tổn hao, chi phí thấp hơn 1/3 so với loại
máy điện khác[8, 14]. Vấn đề duy nhất là khó điều khiển, cũng chính vì lý do này
mà việc xây dựng đƣợc mô hình toán của MPKĐBNK là rất cần thiết để từ đó ta có
thể nghiên cứu tìm hiểu cũng nhƣ xây dựng bộ điều khiển cho MPKĐBNK.
2.1.1.Cấu tạo của máy phát không đồng bộ nguồn kép:
MPKĐBNK thực chất là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn (kết hợp với
các bộ biến đổi CL và NL thành một hệ thống). Trong hệ thống chuyển đổi năng
lƣợng sử dụng MKĐBNK thì stator của MPKĐBNK đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới
điện và mạch rotor nối với bộ biến đổi công suất thông qua vành trƣợt. Một tụ điện
DC link đƣợc đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lƣợng.
CL
NL
Hộp số

MP
3~
=
=
3~
DC Link
Hình 2.1: Máy phát không đồng bộ nguồn kép
. MP: máy phát,
CL: chỉnh lƣu, NL: nghịch lƣu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên