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

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

2012


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
MƠ HÌNH HĨA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHƠNG ĐỐI XỨNG. ..................... 1
1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc khơng bình thƣờng của lƣới điện

................................................................................................................................ 1
1.2 Mơ hình hóa lỗi lƣới khơng 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 Mơ hình hóa lỗi lƣới đối xứng. ...................................................................... 10
CHƢƠNG 2 .............................................................................................................. 12
MƠ HÌNH MÁY PHÁT KHƠNG 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 Mơ hình tốn của máy phát khơng đồng bộ nguồn kép. .............................. 17
i


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 Mơ hình dịng rotor ................................................................................. 25
3.2.2 Điều khiển cách ly công suất tác dụng P và công suất kháng Q bằng bộ
điều chỉnh dịng hai chiều. ................................................................................ 26
3.2.3 Các biến điều khiển cơng suất hữu cơng và cơng 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 ird ..................................................... 34
3.3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng irq ..................................................... 35
3.4 Các khâu tính tốn 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 Mơ hình và cấu trúc điều khiển phía lƣới ....................................................... 42
3.6.1 Mơ 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 mơ 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
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

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




LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngồi 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

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




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: “Mơ hình hóa và mơ 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 tơi đã hồn 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 cịn
tƣơng đối mới mẻ nên bản luận văn của tơi sẽ khơng thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Tơi 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 hồn 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.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt q trình học tập và hồn thành bản luận văn.
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thảo

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




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 khơng đồng bộ nguồn kép

NL

Nghịch lƣu

PBC

Passivity – Based Control

TTGTĐ

Tính tốn giá trị đặt

THD

Total harmonic distortion

zp

Số cực đơi của máy phát

i rd ,i rq ,isd ,isq

Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ tọa độ dq

i r ,i r

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

u PBC
, u rqPBC
rd

Các thành phần điện áp rotor đầu ra của bộ điều chỉnh tựa theo thụ
động trong hệ tọa độ dq

u rd , u rq , u sd , u sq

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

Lm

Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor

Lr  Lm  Lr

Điện cảm rotor

Ls  Lm  Ls

Điện cảm stator

Ls

Điện cảm tản rotor

Ls

Điện cảm tản stator

Rr

Điện trở rotor

Rs

Điện trở stator

mG

Mômen máy phát

u N , us , u r

Vector điện áp phia lƣới, stator, rotor
vi

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




DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1.1: Các thơng số của MPKĐBNK………………………………………..48

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

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

5

b, sự biến đổi giữa các hệ trục  và dq .
2.1

Hình 2.1:Máy phát khơng đồng bộ nguồn kép

13

2.1.1

Hình 2.2: Đặc tính mơmen, tốc độ làm việc của MPKĐBNK

14

2.1.2

Hình 2.3: Chiều của dòng năng lƣợng qua MPKĐBNK ở 2 chế độ.

16

a. Chế độ dƣới đồng bộ ;

b. Chế độ trên đồng bộ

2.1.3

Hình 2.4:Phạm vi hoạt động của MPKĐBNK

17

2.2

Hình 2.5: Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCDB

20

2.2

Hình 2.6: Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCDB dƣới dạng ma trận

22

con
3.1

Hình 3.1: Các phƣơng pháp điều khiển MPKĐBNK

23

3.2.2

Hình 3.2: Đặc tính vector, áp, từ thơng 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 thơng số dịng thành phần irq tựa theo EL

36

3.3.2.2 Hình 3.8: Sơ đồ điều chỉnh thơng số dịng thành phần irq tựa theo EL

36

3.5.2

Hình 3.9: Quan hệ giữa các vector trong thực hiện hịa 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

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




4.1.1

Hình 4.1: Sơ đồ mơ phỏng tồn hệ thống

48

4.1.1

Hình 4.2: Khối lƣới, bộ biến đổi và máy phát không đồng bộ 3 pha

49

rotor dây quấn
4.1.1

Hình 4.3: Các khối mơ phỏng bên trong của lƣới, máy phát và bộ

50

biến đổi
4.1.1

Hình 4.4: Bộ biến đổi nghịch lƣu phía lƣới và phía máy phát (back

50

to back converter)
4.1.1

Hình 4.5: Vịng điều khiển ngồi để tính tốn giá trị mong

51

muốn i*rd và i*rq
4.1.1

Hình 4.6: Khối tính tốn các giá trị dịng, áp, từ thơng

52

4.1.1

Hình 4.7: Khối bộ điều khiển dịng rotor có kể đến dự báo dịng,

52

hiệu chỉnh sai lệch
4.1.1

Hình 4.8: Khối tổng hợp bộ điều khiển dịng và giá trị

53

4.1.1

Hình 4.9: Khối hịa 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

56

việc bình thƣờng
4.1.2.2 Hình 4.12: Các kết quả mơ phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi

58

lƣới đỗi xứng

4.1.2.3 Hình 4.13: Các kết quả mơ phỏng của hệ thống trong chế độ làm việc lỗi

60

lƣới khơng xứng

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




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 cịn 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 cơng suất máy phát và
dịng 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 mơ phỏng MPKĐBNK khi xảy ra lỗi lƣới, đặc biệt là với lỗi
lƣới khơng đối xứng

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




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 mơ hình và mơ 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: Mơ hình hóa lỗi lƣới đối xứng và khơng đối xứng
Chƣơng 2: Mơ hình máy phát không đồng bộ nguồn kép
Chƣơng 3: Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc điều khiển máy phát khơng đồng bộ

nguồn kép
Chƣơng 4: Mô phỏng một số chế độ lỗi lƣới

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




CHƢƠNG 1
MƠ HÌNH HĨA LỖI LƢỚI ĐỐI XỨNG VÀ KHƠNG ĐỐI
XỨNG.
1.1 Một số khái niệm về các trạng thái làm việc khơng 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, dịng điện, cơng suất tác
dụng, cơng 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
thơng 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 khơng thể tránh đƣợc, chẳng hạn nhƣ
do sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện, làm cho các thơng số của hệ thống điện có
thể vƣợt q các giới hạn cho phép. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy lƣới điện đƣợc coi là

đang trong trạng thái làm việc khơng 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
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 Mơ 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 mơ tả động
học của MPKĐBNK và lƣới thì các đại lƣợng ba pha nhƣ dịng 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 tốn đƣợc thực hiện với biên độ và góc
pha của chúng trên các hệ trục tọa độ dq này .

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Pha B
Us

Pha A

Stator

Us
Rotor
Roto

Pha C

Us

Hình 1.1Sơ đồ đấu dây và điện áp stator

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:

s 



0
0
2
sa  sb e j120  sc e j240
3



trong đó: vì ba pha a, b, c đối xứng nên sa (t)  sb (t)  sc (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 
0

trùng với e j0 nhƣ đƣợc biểu diễn trên hình 1.2. Khi đó:
s0 = Tsf sabc

trong đó, 

 0
s

s 
=  s   s
 s0 

s

(1.1)

T

s0  , 

abc
s

sa 
= sb    sa
 sc 

sc  .

sb

T

Chú ý rằng s0 là thành phần zero đƣợc thêm vào để ma trận Tsf nghịch đảo đƣợc.
ma trận biến đổi Tsf đƣợc cho bởi [24]


1

2
Tsf =  0
3

1
2


1
2
3
2
1
2



1 
2 

3

.
2 

1 
2 


3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

sdq = Trf s
trong đó

s 
s =    s
 s 

s 

T

,

 d 
sdq =    d
 q 

 cosf
Trf = 
 sinf

q 

(1.2)
T

, và ma trận biến đổi

sinf 

cosf 

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:
ˆ sin(t   )
u a (t) = 2U
a
a
ˆ sin(t    2 )
u b (t) = 2U
b
a
3
ˆ sin(t    2 )
u c (t) = 2U
c
a
3

(1.3)

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

trong đó:

u  
u  =   , u abc
 u 

(1.4)

ua 
=  u b  ,
 u c 

và

1

1

2
2

T =
3
3
0 2

1 
2 

3

2 


1.5

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




a)

j

b)

e j0

0

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

Tiếp theo, các đại lƣợng trên hệ trục tọa độ  có thể đƣợc biến đổi sang hệ
trục tọa độ quay dq nhƣ sau:
 u d (t)   cos
 u (t)  = 
 q   sin

sin   u  (t) 


cos  u  (t) 

1.6 

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

 u d (t) 
 u (t)  =
 q 

2
3

 cos
 sin



1
sin  

cos 
0

1
2
3

2



1 
 u a (t) 
2 
 u b (t) 

3

u
(t)

 c 
2 


(1.7)

Biến đổi phƣơng trình (1.7) ta đƣợc:

 u d (t) 
 u (t)  
 q 

 u d (t) 

=
 u q (t) 



1
3
1
3
cos
 cos 
sin   cos 
sin    u a (t) 

2
2
2
2
2
  u b (t) 

3

1
3
1
3

u
(t)

sin


cos


sin

cos


sin


  c 

2
2
2
2

2
2 

cos cos(  ) cos(  )   u a (t) 

2
3
3




 u b (t) 
1.8 
2
2  
3
sin sin(  ) sin(  )  u c (t) 

3
3 

5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

2
2 
 ˆ
ˆ cossin(t   )  2  U b cos(  3 )sin(t  a  3 ) 
 u d (t)  2  U
a
a




 u (t)  =

ˆ
2
2
3   U a sinsin(t  a ) 
3 ˆ
 q 
 U bsin(  )sin(t  a  ) 
3
3 

2
2 
 ˆ
U c cos(  )sin(t  a  ) 

2
3
3



2
2 
3 ˆ
 U sin(  )sin(t  a  )
 c
3
3 

Biến đổi lƣợng giác ta có:

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

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

sin(t  a 

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

1

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

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

sin(t  a 

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

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




Thay các biến đổi trên vào phƣơng trình (1.8) ta đƣợc:
ˆ sin(t    )  U
ˆ sin(t    ) 
 u d (t) 
1  U
a
a
a
a
=


 u (t) 
ˆ
ˆ
3   U a cos(t  a  )  U a cos(t  a  ) 
 q 

 ˆ
ˆ sin(t      4 ) 
U bsin(t  a  )  U
b
a


1
3 



4 
3 ˆ
ˆ
 U bsin(t  a  )  U b cos(t  a    )
3 

 ˆ
ˆ sin(t      4 ) 
U csin(t  a  )  U
c
a

1
3 



4 
3 ˆ
ˆ
 U sin(t  a  )  U c cos(t  a    )
 c
3 

Hay:

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

 ˆ
ˆ sin(t      4 )  U
ˆ sin(t      4 ) 
U sin(t  a  )  U
b
a
c
a
1  a
3
3 




4 ˆ
4 
3 ˆ
ˆ
 U cos(t  a  )  U b cos(t  a    )  U ccos(t  a    )
 a
3
3 

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

 ˆ
ˆ sin(2t    4 )  U
ˆ sin(2t    4 ) 
U a sin(2t  a )  U
b
a
c
a

1
3
3 



4 ˆ
4 
3 ˆ
ˆ
 U cos(2t  a )  U b cos(2t  a  )  U c cos(2t  a  )
 a
3
3 

1.9 

7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ˆ =U
ˆ =U
ˆ U
ˆ thì thành phần thứ 2 của phƣơng
Khi hệ thống cân bằng U
a
b
c
trình (1.9) có thể đƣợc biến đổi nhƣ sau:
4 ˆ
4
)  U ccos(2t  a  )
3
3

 4  
  U cos  2t  a   2 cos  2t  a  cos 

 3 

ˆ cos(2t   )  U
ˆ cos(2t   
U
a
a
b
a

  U cos  2t  a   2 cos  2t  a    0

Biến đổi tƣơng tự nhƣ trên ta có:
ˆ sin(2t   )  U
ˆ sin(2t    4 )  U
ˆ sin(2t    4 ) 
U
a
a
b
a
c
a
3
3
4
4
Usin(2t  a )  Usin(2t  a  )  Usin(2t  a  )  0
3
3

ˆ = Uˆ = Uˆ  Uˆ thì thành phần thứ hai của
Nhƣ vậy khi hệ thống cân bằng U
a
b
c
phƣơng trình (1.9) bằng 0. Khi hệ thống mất cân bằng thì trong thành phần của u d
và u q 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:
 u  (t)   u t (t)  u n (t) 

 u ( t)  =  t
n
    u  (t)  u  (t) 

1.10 

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:
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




 u dt (t)   cos sin   u t (t) 
 t =
 t 
 u q (t)   sin cos  u  (t) 

1.11

 u dn (t)  cos sin  u n (t) 
 n =

 n 
 u q (t)   sin cos   u  (t) 

1.12 

Từ các phƣơng trình (1.4), (1.11) và (1.12) ta có thể viết đƣợc nhƣ sau:
1

1 

 u (t)   cos sin  2
2


=

3
 u (t)   sin cos 3 0

2
t
d
t
q

1

1 

 u (t)  cos sin 2

2


=

3
 u (t)   sin cos  3 
0 2
n
d
n
q

1 
 u a (t) 
2 
 u b (t) 

3

u
(t)

 c 
2 


1 
 u a (t) 
2 

 u b (t) 

3

u
(t)

 c 
2 

(1.13)



(1.14)

Biến đổi các phƣơng trình (1.13) và (1.14) ta đƣợc
 u dt (t) 
 t =
 u q (t) 

2
2 

cos cos(  ) cos(  )   u a (t) 

2
3
3




  u b (t) 
2
2
3
sin sin(  ) sin(  )   u c (t) 

3
3 

(1.15)

2
2 

cos cos(  ) cos(  )   u a (t) 

2
3
3 


 u b (t) 
2
2  
3
sin sin(  ) sin(  )  u c (t) 

3

3 

(1.16)

 u (t) 

=
 u (t) 
n
d
n
q

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

a
b
c
a

 ˆ
ˆ sin(t      4 )  U
ˆ sin(t      4 ) 
U a sin(t  a  )  U
b
a
c
a

1
3
3 



3ˆ
ˆ cos(t      4 )  U
ˆ cos(t      4 ) 
U a cos(t  a  )  U
b
a
c
a

3

3 

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ˆ U
ˆ U
ˆ )sin(t    ) 
 u dn (t)  1  (U
a
b
c
a


 n =
ˆ
ˆ
ˆ
u
(t)
3
 q 
 (U a  U b  U c )cos(t  a  ) 

 ˆ
ˆ sin(t      4 )  U

ˆ sin(t      4 ) 
U a sin(t  a  )  U
b
a
c
a

1
3
3 



4 ˆ
4 
3ˆ
ˆ
U cos(t  a  )  U b cos(t  a    )  U ccos(t  a    )
 a
3
3 

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:
ˆ U
ˆ U
ˆ )sin( ) 
 u dt (t)  1  (U
a
b

c
a
=


 t 
ˆ
ˆ
ˆ
u
(t)
3  (U a  U b  U c )cos(a ) 
 q 

 ˆ
ˆ sin(2t    4 )  U
ˆ sin(2t    4 ) 
U a sin(2t  a )  U
b
a
c
a

1
3
3 



4

4 
3ˆ
ˆ
ˆ
U cos(2t  a )  U b cos(2t  a  )  U c cos(2t  a  )
 a
3
3 
n
ˆ
ˆ
ˆ


 u d (t)  1 (Ua  U b  U c )sin(2t  a )


 n =
ˆ U
ˆ U
ˆ )cos(2t   ) 
3  (U
 u q (t) 
a
b
c
a 
 ˆ
ˆ sin(  4 )  U
ˆ sin(  4 ) 

U a sin(a )  U
b
a
c
a

1
3
3 



4
4 
3ˆ
ˆ
ˆ
U cos(a )  U b cos(a  )  U c cos(a  )
 a
3
3 

1.17 

1.18

1.3 Mơ 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:
U a (t)  2Usin  t  a 

2 

U b (t)  2Usin  t  a  
3

2 

U c (t)  2Usin  t  a  
3


1.19 

10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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:
U a (t)  2U ' sin  t  a 
2 

U b (t)  2U ' sin  t  a  
3 


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

1.20 

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

4
4 
 '
U sin(t  a  )  U 'sin(t  a    )  U 'sin(t  a    ) 

1
3
3



4
4 
3 '

'
'
U cos(t  a  )  U cos(t  a    )  U cos(t  a    )
3
3 


(1.20)

ˆ =U
ˆ =U
ˆ U
ˆ thì thành phần
Nhƣ đã lập luận ở trên khi hệ thống cân bằng U
a
b
c
thứ 2 của phƣơng trình (1.9) bằng 0 nhƣ vậy phƣơng trình (1.20) sẽ trở thành:
 u dt (t)  1  3U 'sin(a ) 
 t =


3  3U 'cos(a ) 
 u q (t) 

(1.21)

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 1200 nên cộng lại bằng 0.
Kết luận chƣơng 1:

-

Nghiên cứu mơ hình hóa lỗi lƣới khơng đối xứng và đối xứng

11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




CHƢƠNG 2
MƠ HÌNH MÁY PHÁT KHƠNG 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 dịng 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, cịn phía Rotor đƣợc nối với lƣới qua thiết bị điều khiển (hình 2.1).

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Hộp số

MP

DC Link
NL

CL
=

3~
=

3~

Hình 2.1: Máy phát khơng đồng bộ nguồn kép. MP: máy phát,
CL: chỉnh lƣu, NL: nghịch lƣu.

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
cơng 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 mơ hình tốn 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 trị tích trữ năng lƣợng.

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