Nghiên cứu giảm điện áp commonmode cho bộ biến đổi rotor máy phát không đồng bộ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện điều khiển giảm điện áp commonmode cho bộ biến đổi phía rotor của máy phát không đồng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Lê Nguyễn Hồng Phong
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Giảm Điện Áp Common-Mode Trong Bộ Biến Đổi Rotor Máy Phát Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giảm điện áp common mode trong bộ biến đổi rotor

Giảm điện áp common-mode trong bộ biến đổi rotor máy phát không đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất. Điện áp common-mode có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hiệu suất và độ bền của hệ thống. Việc hiểu rõ về nguyên nhân và ảnh hưởng của điện áp này là cần thiết để phát triển các giải pháp hiệu quả.

1.1. Khái niệm về điện áp common mode và ảnh hưởng của nó

Điện áp common-mode là điện áp xuất hiện giữa các pha của hệ thống điện. Nó có thể gây ra dòng điện rò rỉ, làm giảm tuổi thọ của thiết bị và ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy phát.

1.2. Tầm quan trọng của việc giảm điện áp common mode

Giảm điện áp common-mode không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như turbine gió.

II. Vấn đề và thách thức trong việc giảm điện áp common mode

Việc giảm điện áp common-mode trong bộ biến đổi rotor gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như thiết kế mạch, lựa chọn linh kiện và phương pháp điều khiển đều ảnh hưởng đến hiệu quả của giải pháp.

2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế mạch

Thiết kế mạch cần phải đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao. Các linh kiện sử dụng phải có khả năng chịu đựng điện áp common-mode mà không gây ra hư hỏng.

2.2. Thách thức trong việc lựa chọn phương pháp điều khiển

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để giảm điện áp common-mode. Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp phù hợp với từng ứng dụng cụ thể là một thách thức lớn.

III. Phương pháp điều khiển giảm điện áp common mode hiệu quả

Để giảm điện áp common-mode, nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp này không chỉ giúp giảm điện áp mà còn cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Kỹ thuật điều khiển RCMV 4S SVM

Kỹ thuật RCMV 4S SVM là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giảm điện áp common-mode. Phương pháp này sử dụng sóng mang để điều khiển mạch nghịch lưu.

3.2. Kỹ thuật RCMV CBPWM

Kỹ thuật RCMV CBPWM cũng là một giải pháp khả thi. Nó giúp giảm điện áp common-mode thông qua việc điều chỉnh hàm offset trong quá trình điều khiển.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp giảm điện áp common-mode có thể mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống máy phát không đồng bộ. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm điện áp này.

4.1. Kết quả mô phỏng trong MATLAB Simulink

Mô phỏng trong MATLAB/Simulink cho thấy rằng các phương pháp điều khiển đề xuất có thể giảm điện áp common-mode một cách hiệu quả, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống turbine gió

Việc áp dụng các phương pháp này trong hệ thống turbine gió đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả, giúp cải thiện độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về giảm điện áp common-mode trong bộ biến đổi rotor máy phát không đồng bộ đang mở ra nhiều triển vọng mới. Các giải pháp hiện tại có thể được cải tiến và phát triển thêm để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

5.1. Những kết quả đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả tích cực trong việc giảm điện áp common-mode, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để giảm điện áp common-mode, đồng thời áp dụng công nghệ mới vào hệ thống máy phát không đồng bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. Điện tử công suất trong hệ thống điện gió Trong xu hướng tìm kiếm nguồn năng lượng mới thay cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được quan tâm [1]. Hiện nay năng lượng gió là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo [2]. Sự phát triển của năng lượng gió được phản ánh qua sự gia tăng nhanh chóng của công suất lắp đặt các hệ thống turbine gió trên phạm vi toàn cầu.

Hình 1-1 cho thấy nếu như vào năm 2001 tổng công suất lắp đặt turbine gió trên toàn thế giới chỉ đạt 24 MW thì đến năm 2005, công suất này đã tăng hơn 2 lần và đạt 59 MW, đến năm 2011 đạt gần 240 MW và dự báo đến năm 2020 là gần 800 MW [2]. Công suất lắp đặt của hệ thống năng lượng gió trên phạm vi toàn cầu từ năm 2001 đến năm 2020 (dự báo) [2]. Theo thời gian, kích cỡ và công suất của các turbine gió cũng đã có sự phát triển nhanh chóng: công suất turbine gió đã tăng từ 50 kW (năm 1980) đến 2 MW (năm 2000) và 7,5 MW (năm 2010); đường kính cánh quạt turbine gió đã tăng từ 15 19 m (năm 1980) đến 80 m (năm 2000) và 126 m (năm 2010) [1]. Dự báo đến năm 2020, các turbine gió công suất 15-20 MW với đường kính cánh quạt 150-200 m sẽ được giới thiệu trên thị trường [1].

Đi kèm với sự phát triển về công suất và kích cỡ của các turbine gió, các bộ biến đổi điện tử công suất được sử dụng trong turbine gió cũng có những bước phát triển vượt bậc cả về kiểu sơ đồ mạch cũng như công suất định mức [1], [2]. Hình 1-2 thể hiện sự phát triển về công suất và kích thước của hệ thống turbine gió, cùng với sự phát triển của điện tử công suất trong hệ thống turbine gió [2]. (dự báo) Tốc độ quay Cố định Thay đổi Thay đổi một phần Vai trò của Định mức % 0% 10% 30% 100% điện tử công suất Vai trò Bộ Điều Điều Điều khiển công suất khởi động khiển khiển toàn phần của máy phát mềm điện trở công suất rotor rotor Hình 1-2. Sự phát triển của turbine gió và vai trò của điện tử công suất trong turbine gió từ năm 1980 đến 2020 (dự báo) [2] Các turbine gió được sản xuất trong thập niên 1980 sử dụng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG), do vậy mạch điện tử công suất được dùng chỉ là các mạch khởi động mềm thyristor công suất nhỏ [1], [2].

Đến thập niên 1990, máy phát 20 không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) bắt đầu được sử dụng trong turbine gió, các bộ biến đổi được sử dụng là các mạch cầu diode và mạch băm (chopper) với công suất là 10% công suất định mức máy phát [1], [2]. Từ năm 2000 trở đi, các mạch biến đổi back-to-back với khả năng dẫn dòng công suất theo cả 2 chiều đã được giới thiệu và được ứng dụng trong các hệ thống turbine gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và máy phát đồng bộ nam chân vĩnh cửu (PMSG) [1], [2]. Trong hệ thống DFIG, công suất định mức của bộ biến đổi chiếm 30% công suất máy phát còn trong hệ thống PMSG, tỷ lệ này lên đến 100% [1], [2]. Sự phát triển của các bộ biến đổi điện tử công suất không chỉ giúp hạn chế được các tác động của hiện tượng stress cơ học trên trục turbine gió mà còn mang đến khả năng điều khiển linh hoạt công suất của máy phát, làm cho hệ thống turbine gió có thể dễ dàng kết nối lưới [2].

Hệ thống turbine gió DFIG Có nhiều loại máy phát khác nhau được sử dụng trong turbine gió. Ở giai đoạn bắt đầu phát triển của lĩnh vực điện gió, máy phát SCIG được sử dụng trong các turbine gió và được biết đến với tên gọi “kiểu thiết kế Đan Mạch” (Danish concept), hiện nay phần lớn các turbine gió đều sử dụng máy phát DFIG hoặc PMSG [2], [3]. Hệ thống turbine gió sử dụng DFIG đã được nghiên cứu từ thập niên 1990 và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ thập niên 2000 [1]-[4]. Tại thời điểm 2013, hệ thống turbine gió sử dụng DFIG chiếm gần 50% thị trường turbine gió [5].

DFIG dùng trong turbine gió được sản xuất với nhiều phạm vi công suất khác nhau, trong đó phổ biến nhất từ 1,5 MW đến 3 MW. Một số nhà sản xuất còn giới thiệu các mẫu DFIG với công suất lớn, trong đó có hãng Repower (Đức) với 2 mẫu DFIG là 6M, công suất 6150 kW và 5M, công suất 5 MW [5]. Trong hệ thống DFIG, cuộn dây stator của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong một số trường hợp được kết nối thông qua một máy biến áp. Cuộn dây rotor được kết nối với bộ biến đổi công suất back-to-back trước khi nối trực tiếp vào lưới điện, hoặc nối với lưới thông qua máy biến áp.

Trục rotor của DFIG được 21 truyền động bởi trục turbine gió, thông qua hộp số tăng tốc. Hình 1-3 là sơ đồ của một hệ thống DFIG điển hình. Hộp số DFIG Máy biến áp Lưới điện DC- Turbine link gió RSC GSC Hình 1-3. Sơ đồ hệ thống turbine gió DFIG [2] Bộ biến đổi công suất được sử dụng trong hệ thống DFIG là bộ biến đổi back-to-back dựa trên linh kiện IGBT, bộ biến đổi này có khả năng dẫn dòng công suất chạy theo cả hai chiều và hoạt động được trong cả 4 góc phần tư.

Bộ biến đổi back-to-back được ghép nối từ 2 mạch biến đổi nguồn áp (VSC), hai mạch VSC có thể là mạch 2 bậc truyền thống hoặc mạch đa bậc. Hai mạch VSC này được liên kết với nhau bởi tụ điện DC, thường gọi là tụ DC-link. Hình 1-4 là sơ đồ mạch của bộ biến đổi back-to-back 2 bậc. Sơ đồ bộ biến đổi back-to-back 2 bậc Trong bộ biến đổi back-to-back, bộ biến đổi được nối với cuộn dây rotor của DFIG được gọi là bộ biến đổi phía rotor (RSC) và bộ biến đổi còn lại được nối với 22 lưới điện được gọi là bộ biến đổi phía lưới (GSC).

RSC có chức năng điều khiển moment, công suất tác dụng phía stator và công suất phản kháng phía stator của DFIG. Trong khi đó, GSC có chức năng điều khiển giữ điện áp DC-link cố định và điều khiển công suất phản kháng đi vào phía rotor của DFIG. Hệ thống DFIG có các ưu điểm như sau:  DFIG có thể hoạt động với tốc độ trên tốc độ đồng bộ, dưới tốc độ đồng bộ hoặc tại tốc độ đồng bộ [4]. Phạm vi tốc độ hoạt động của DFIG dao động quanh giá trị ±33% so với tốc độ đồng bộ [3], [6], và tốc độ hoạt động của DFIG chỉ bị giới hạn bởi điện áp định mức của dây quấn rotor [4], [5].

Tại tốc độ đồng bộ, dòng điện DC được đưa vào cuộn dây rotor thông qua bộ RSC làm việc ở chế độ băm (chopper) [4], [5].  Công suất của bộ biến đổi back-to-back yêu cầu chỉ khoảng 25% đến 33% công suất của DFIG, do đó giảm được chi phí chế tạo nếu so với các bộ biến đổi 100% công suất máy phát như đối với PMSG [2], [3].  Moment và dòng điện kích từ của DFIG có thể được điều khiển độc lập với nhau [4], [5].  Độ méo dạng sóng hài ở dòng điện rotor, stator và dòng điện lưới trong hệ thống DFIG có giá trị thấp [4], [5].

Do vậy yêu cầu các bộ lọc ở bộ biến đổi back-to-back và bộ lọc EMI trong hệ thống DFIG thường khá nhỏ, với định mức vào khoảng 0,25 pu so với tổng công suất của hệ thống [3], [6].  Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp ở GSC có thể được điều khiển dễ dàng [3] - [5], qua đó điều khiển được hệ số công suất của hệ thống DFIG. Bên cạnh đó, hệ thống DFIG cũng có nhược điểm như sau: Để trao đổi năng lượng giữa cuộn dây rotor với bộ biến đổi back-to-back cần sử dụng hệ thống vành trượt. Trong các điều kiện mất cân bằng ở lưới điện hay ở DFIG thì điều này có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng giữa độ tin cậy và tính ổn định trong việc điều khiển công suất [2].

23 Tùy thuộc vào tốc độ hoạt động của DFIG, dòng công suất đi qua bộ biến đổi back-to-back có chiều khác nhau, và do đó vai trò của RSC và GSC trong bộ biến đổi back-to-back cũng khác nhau:  Khi DFIG hoạt động ở chế độ trên đồng bộ, bộ biến đổi back-to-back dẫn công suất tác dụng chạy từ phía rotor đến lưới. RSC đóng vai trò là bộ chỉnh lưu còn GSC đóng vai trò là bộ nghịch lưu [7].  Khi DFIG hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ, bộ biến đổi back-to-back dẫn công suất tác dụng chạy từ lưới vào rotor. Lúc này GSC đóng vai trò là bộ chỉnh lưu còn RSC đóng vai trò là bộ nghịch lưu [7].

Hình 1-5 thể hiện chiều di chuyển của công suất tác dụng trong hệ thống DFIG ứng với hai chế độ hoạt động trên. ω < ωs DFIG Ps Pg Pm RSC GSC Pr (a) Chế độ dưới đồng bộ ω > ωs DFIG Ps Pg Pm RSC GSC Pr (b) Chế độ trên đồng bộ Hình 1-5. Dòng công suất trong hệ thống DFIG [7] 24 Trong chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG, RSC đóng vai trò là mạch nghịch lưu. Quá trình điều khiển các khóa đóng ngắt trong RSC làm phát sinh điện áp common-mode (CMV).

CMV ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng trên trục máy điện và dòng điện ổ bi trong máy điện. Theo nghiên cứu tại [8] và [9], trong hệ thống truyền động điện PWM có thể gặp 3 kiểu dòng điện ổ bi: dòng điện ổ bi gây bởi sự xả điện tích trong điện dung ký sinh giữa trục rotor với khung stator khi lớp cách điện ổ bi bị lão hóa, dòng điện ổ bi gây bởi ứng suất điện áp dv/dt của CMV trong đó ổ bi đóng vai trò là một đường dẫn với trở kháng thấp, và dòng điện ổ bi tuần hoàn do từ thông gây bởi dòng điện common-mode tạo ra. Ảnh hưởng của dv/dt trong CMV đến dòng điện ổ bi cũng đã được tác giả Adabi trình bày tại [10]. Nghiên cứu của tác giả A.

Garcia và các đồng nghiệp ở [11] chỉ ra rằng, dòng điện ổ bi được xem là một trong những nguyên nhân chính gây nên các sự cố hỏng hóc đối với hệ truyền động điện PWM, đặc biệt đối với các hệ thống có công suất lớn.