Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA LƯỚI CHO
MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN
CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG
Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: DƯƠNG QUỐC HƯNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

DUYỆT BAN

KHOA ĐT

GIÁM HIỆU

SAU ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG

HỌC VIÊN

DẪN

PGS.TS. Lại Khắc Lãi

THÁI NGUYÊN - 2011

Dương Quốc Hưng


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-1-

Chuyên ngành Tự động hoá

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Lời cam đoan ............................................................................................................ -4Lời cảm ơn ............................................................................................................... -5Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ...................................................................... -6Danh mục các bảng ................................................................................................. -8Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................... -9MỞ ĐẦU ............................................................................................................... -141. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................... -142. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ................................................ -143. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu ...................................................... -154. Kết cấu của luận văn ............................................................................. -15CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ
NGOÀI NƢỚC ..................................................................................................... -161.1. Tổng quan ........................................................................................... -161.1.1. Đặt vấn đề .............................................................................. -161.1.2. Năng lượng gió ...................................................................... -161.1.3. Vài nét về trạm phong điện .................................................... -181.2. Máy phát điện sức gió (Phong điện) ................................................. -191.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió ............................... -191.2.2. Cấu tạo của tuabin phong điện ............................................... -211.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện....................................... -231.3. Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm
ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) ............................... -261.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng .............. -261.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG ............ -281.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................. -29CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP ........................................ -30-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-2-

Chuyên ngành Tự động hoá

2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép ........................................................... -302.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện................. -302.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG .............................. -322.1.3. Công suất của DFIG............................................................... -352.1.4. Véctơ không gian ................................................................... -362.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không
gian

.......................................................................................................... -37-

2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG ......................................................... -372.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG ............................................. -382.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới ............................................. -392.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link ................................................ -402.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC) ..................... -412.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC) .............. -412.3. Từ trƣờng trong hệ thống DFIG ...................................................... -422.3.1. Từ trường của stato ................................................................ -422.3.2. Từ trường của lưới ................................................................. -422.4. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................. -43CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC
GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP ........................................ -443.1. Tìm hiểu một số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió. -443.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ................................................................ -443.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ................ -493.2. Lý thuyết về điều khiển PID ............................................................. -503.2.1. Đặt vấn đề .............................................................................. -503.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID .................................................. -513.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID ...................... -553.2.4. Các hạn chế của điều khiển PID ............................................ -573.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID.......................................... -58-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-3-

Chuyên ngành Tự động hoá

3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy
điện cảm ứng DFIG .............................................................................................. -603.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC)........................ -613.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC)................................. -643.4. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................. -67CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK –
PLECS VÀ KẾT LUẬN ...................................................................................... -694.1. Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs................................. -694.2. Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ
Matlab – Simulink – Plecs ................................................................................... -754.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng .......................................... -754.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống .............................. -754.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) ................................. -774.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát (MSC)............ -814.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (GSC) .................... -844.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................. -864.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng ................................................. -864.3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................. -894.4. Kết luận và kiến nghị ......................................................................... -96TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... -97-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

Chuyên ngành Tự động hoá

-4-

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dƣơng Quốc Hƣng
Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện
sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy giáo PGS.TS Lại
Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu
sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn

Dƣơng Quốc Hƣng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-5-

Chuyên ngành Tự động hoá

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ
và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn
với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng
máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người 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

Dƣơng Quốc Hƣng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-6-

Chuyên ngành Tự động hoá

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
Us (stator voltage): Điện áp Stato
Rs (stator resistance): Điện trở Stato
Ur (rotor voltage): Điện áp Roto
Rr ( rotor resistance): Điện trở Roto
Is (stator current): Dòng điện Stato
Rm (magnetizing resistance): Điện trở từ hoá
Ir (rotor current): Dòng điện Roto
Lsλ (stator leakage inductance): Điện cảm Stato
IRm (magnetizing resistance current): Dòng điện từ hoá
Lrλ (rotor leakage inductance): Điện cảm Roto
Ψs (stator flux): Từ trường Stato
ΨR (rotor flux): Từ trường Roto
ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato
Lm (magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá
s (slip): Độ trượt
LM: Điện cảm từ hoá
Lσ ≈ Lsλ + Lrλ : Điện cảm khe hở
np: Số đôi cực từ của máy phát
J: Mômen quán tính
Ts: Mômen trên trục của máy phát
r là tần số góc của Roto
2 là tần số trượt
Tm: Mômen cơ khí
Te: Mômen điện từ

Ps: Công suất tác dụng Stato
Pr: Công suất tác dụng Roto
Qs: Công suất phản kháng Stato

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-7-

Chuyên ngành Tự động hoá

Qr: Công suất phản kháng Roto
Ploss: Tổn thất công suất
Pmech: Công suất từ hoá
urd , urq , usd , usq Các thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq
ird , irq , isd , isq

Các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

 r , s

Các thành phần véctor từ thông rotor, stator

 sd , sq

Các thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq

Chữ viết tắt
NLG

Năng lượng gió

CL

Chỉnh lưu

NL

Nghịch lưu

ĐCĐB - KTVC

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

MĐKĐBNK

Máy điện không đồng bộ nguồn kép

MĐĐB - KTVC

Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

NLPL - NLDI

Nghịch lưu phía lưới

NLMF - NLFDI

Nghịch lưu phía máy phát

PĐSG

Phát điện sức gió

DFIG

Doubly-Fed Induction Generator

AVR

Automatic Voltage Regulator

GSC

Grid Side Converter

MSC

Machine Side Converter

ĐKCTĐ

điều khiển chuyển toạ độ trạng thái

KĐB-RLS

Không đồng bộ Roto lồng sóc

KĐB-RDQ

Không đồng bộ Roto dây quấn

ĐK

Điều khiển

MP

Máy phát

G

Grid

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-8-

Chuyên ngành Tự động hoá

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG

34

Bảng 3.1

Lựa chọn phương pháp điều chỉnh

55

Bảng 3.2

Tác động của việc tăng một thông số độc lập

56

Bảng 3.3

Phương pháp Ziegler–Nichols

56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-9-

Chuyên ngành Tự động hoá

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Tên hì nh

Trang

Hình 1.1

Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch

20

Hình 1.2

Bộ nghịch lưu

20

Hình 1.3

Bộ đóng cắt mềm

20

Hình 1.4

Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang

21

Hình 1.5

Cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế

22

Hình 1.6

Một trạm phong điện trong thực tế

22

Hình 1.7

Hệ thống kích thích xoay chiều

23

Hình 1.8

Tuabin gió với tốc độ cố định

26

Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực
Hình 1.9

tiếp giữa stator và lưới

27

Hình 1.10

Tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép

27

Hình 1.11

Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG

28

Hình 1.12

Sơ đồ điều khiển dòng rotor bằng các bộ biến đổi

29

Hệ thống máy phát
Hình 1.13

DFIG với bộ Back-to-Back

Converter

29

Hình 2.1

Cấu tạo của phát điện không đồng bộ

30

Hình 2.2

Stato của phát điện không đồng bộ

30

Hình 2.3

Đấu hình sao và đấu hình tam giác Stato của máy phát

31

Hình 2.4

Máy phát điện

32

Hình 2.5

Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG

33

Hình 2.6

Năng lượng trong hệ DFIG khi bỏ qua tổn thất

35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....