Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trương Nhật Tiên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

PHÒNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS. Ngô Đức Minh
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá
2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS.
Ngô Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là
“Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã
được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng
bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày

tháng 10 năm 2014

Học viên

Trương Nhật Tiên


ii

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình
hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp
năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển
mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các
dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, điện mặt
trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác
nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia,
mạng điện thông minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được
quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn
này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh tế của hệ thống
còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước
sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong
phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi
hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng
quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các
tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống
(mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong
bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch,
các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ
biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ
nguồn.
Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một
phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời
nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi.
Mục tiêu ncủa DFIG giảm từ tốc độ trên đồng bộ (0s - 2.44s) xuống dưới đồng bộ (2.44s
– 11.2s) rồi lại tăng lên trên đồng bộ (11.2s – 20s). Tương ứng, công suất của
DFIG phát ra cũng thay đổi theo như trên hình 3.8a,b.

94

a)

P (MW)

6
4
2
0

0

2

4

6

8

10
Time (s)

12

14

16

18

b)
Hình 3. 8. Công suất phát ra từ DFIG
a) Công suất DFIG thay đổi theo tốc độ gió (tốc độ rotor)
b) Công suất DFIG thay đổi theo kịch bản *

20


95

Trên hình 3.9 và 3.10 cho thấy trong suốt quá trình mà tốc độ rotor thay
đổi thì điện áp và dòng điện do DFIG phát ra trên mạch stator vẫn đảm bảo
sin tuyệt đối. Điều này có được do hệ điều khiển của bộ biến đổi B2 của biến
tần 4Q thực hiện.

U grid (V)

1
0
-1
2.44

2.46

2.48

2.5

2.52
2.54
Time (s)

2.56

2.58

2.6

2.62

2.6

2.62

Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới)

I stator

0.5

0

-0.5
2.44

2.46

2.48

2.5

2.52
2.54
Time (s)

2.56

2.58

Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới


96

Trên hình 3.11a,b cho thấy trong khoảng thời gian khảo sát, tốc độ
rotor thay nên tần số dòng điện mạch rotor cũng phải thay đổi (nguyên lý cơ
bản của DFIG) để đảm bảo ổn định tần số cho dòng và áp mach stator). Khi
rotor quay ở tốc độ đồng bộ thì dòng rotor sẽ xuy biến về thành dòng một
chiều, điều này cũng có thấy tại các thời điểm tốc độ rotor thay đổi qua tốc độ
đồng bộ.

I B2

0.5
0
-0.5
0

2

4

6

8

10
Time (s)

12

14

16

18

20

a)

I B2

0.5
0
-0.5
1

1.5

2

2.5
Time (s)

3

3.5

4

b)
Hình 3. 11. Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay
đổi
a) Dòng điện rotor đổi chiều hai lần theo lịch bản *
b) Dòng điện rotor suy biến thành 1 chiều ở thời điểm tốc độ đồng bộ


97

Trên hình 3.12, nếu quan sát kỹ sẽ thấy khi tốc độ rotor từ trên đồng bộ
(DFIG phát công suất vào lưới từ cả hai phía sator và rotor) giảm xuống dưới
đồng bộ thì dòng điện phía bộ biến đổi B1 đã đổi chiều, tương ứng DFIG
chuyển chế độ, mạch rotor đang phát công suất vào lưới sang chế độ nhận
năng lượng về từ lưới chỉ riêng làm nhiệm vụ cho kích từ. Điều này được thấy
rõ hơn trên hình 3.13 khi so sánh thấy góc pha của dòng điện thay đổi 180 độ
trong khi đó góc pha điện áp được giữ nguyên.

I B1

2

x 10

-3

0

-2
2.44

2.46

2.48

2.5

2.52
2.54
Time (s)

2.56

2.58

2.6

2.62

Hình 3. 12. Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1

IB1 & Ustator/100

0.01
0.005
0
-0.005
-0.01
2.35

2.4

2.45

2.5

2.55
Time (s)

2.6

2.65

2.7

Hình 3. 13. Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1

98

3.3. Kết luận chương 3
Từ các nghiên cứu lý thuyết trong chương 1 và chương 2, nội dung
chương 3 đã xây dựng mô hình đặc trưng cho nội dung nghiên cứu của đề tài
và lựa chọn mô phỏng đại diện cho một hệ thống máy phát điện sức gió có sự
tham gia tích cực của biến tần 4Q. Nghiên cứu đã tham khảo những tài liệu
thiết yếu và tin cậy cho việc xây dựng cấu trúc mô phỏng.
Kết quả mô phỏng thu được một cách chọn lọc nhằm làm sáng tỏ khả
năng đặc biệt hệ biến tần 4Q. Các bộ biến đổi B1 và B2 đã thực hiện tốt chức
năng giúp cho DFIG phát công suất trong điều kiện năng lượng đầu vào (tốc
độ gió thay đổi)
- Giữ vững tần số hòa lưới cả hai phía stator và rotor
- Khi tốc độ rotor trên đồng bộ, DFIG phát công suất cả hai phía
stator và rotor
- Khi tốc độ rotor dưới đồng bộ, biến tần 4Q chỉ có nhiệm vụ kích từ
đồng thời tăng khả năng phát công suất cho mạch stator của DFIC.


99

KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn đã tập trung nghiên cứu vào một lĩnh vực mới, góp một tiếng
nói đồng tình cho xu thế phát triển các nguồn năng lượng sạch trên toàn Cầu
nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Trong đó, hai dạng năng lượng có tiềm
năng lớn nhất đó là năng lượng gió và năng lượng Mặt trời có nhiều ưu thế
phát triển nhất trong hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, vấn đề phát triển khai
thác năng lượng tái tạo chỉ có thể dựa trên nền tảng của các bộ biến đổi điện
tử công suất.
Nội dung trình bày của luận văn theo một bố cục lô gic theo 3 chương

từ tổng quan đến cụ thể cho một mô hình thực tế về dạng nguồn điện sử dụng
năng lượng gió và năng lượng Mặt trời. Từ cơ sở lý thuyết đến các tính toán
và mô phỏng kết quả trong Matlab-Simulink đã khẳng định độ tin cậy của
luận văn. Luận văn có thể được xem như một tài liệu tham khảo cho sinh viên
ngành điện khi học và nghiên cứu về lĩnh vực năng lượng tái tạo hay các dạng
mạng điện phân tán, mạng cục bộ…
Được sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh cùng
với sự giúp đỡ của bạn b đồng nghiệp và bản thân tác giả đã rất cố gắng hoàn
thành luận văn. Nhưng do trình độ còn hạn chế, thời gian nghiên cứu chưa
nhiều và nhiệm vụ của luận văn liên quan đến lĩnh vực khá rộng, nên luận văn
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế tác giả rất mong nhận được sự
đóng góp của các thầy, cô, bạn b đồng nghiệp.


100

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt
[1] Ngô Đức Minh, Ứng dụng chỉnh lưu BESS trong mạng điện cục bộ
nguồn thủy điện công suất nhỏ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, năm
2009-2010.
[2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.
[3] Nguyễn Phùng Quang Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và
Kỹ thuật, năm 2004.
[4] Nguyễn Phùng Quang. “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát
trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm
phân ly giữa mômen và hệ số công suất”. Báo cáo khoa học tại (VICA3).
năm 1998.
Tài liệu tiếng Anh

[5] By Alejandro Montenegro Leon, Advanced Power Electruaoinic For
Wind-Power Generation Buffering, Copyright 2005, pp 27-40.
[6] Gilbert M. Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems,
Copyright 2004 by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. All rights
reserved.
[7] M. Sc. Mariusz Malinowski, Three - Phase PWM Rectifiers, Copyright
Warsaw, Poland - 2001.
[8] Matlab R2008b