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

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH KÝ HIỆU
• DANH SÁCH TÊN VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Điện tử công suất trong hệ thống điện gió
• 1.2. Hệ thống turbine gió DFIG
• 1.3. Một số nghiên cứu liên quan
• 1.4. Ý nghĩa đề tài nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC DFIG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DFIG
• 2.1. Các phép biến đổi hệ tọa độ
• 2.1.1. Phép biến đổi abc/dq
• 2.1.2. Phép biến đổi abc/αβ
• 2.2. Mô hình toán học DFIG
• 2.2.1. Mô hình vector không gian
• 2.2.2. Mô hình trong hệ tọa độ dq
• 2.3. Điều khiển định hướng điện áp stator cho DFIG
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ROTOR
• 3.1. Phân tích điện áp common-mode
• 3.2. Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV 4S SVM
• 3.3. Điều khiển giảm CMV bằng kỹ thuật RCMV CBPWM
• 3.3.1. Xác định hàm offset và áp điều khiển
• 3.3.2. Thực hiện kỹ thuật PWM sử dụng sóng mang
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG
• 4.1. Thông số mô phỏng
• 4.2. Các khối ở phần công suất
• 4.2.1. Khối mô phỏng lưới điện
• 4.2.2. Khối mô phỏng DFIG
• 4.2.3. Khối mô phỏng RSC
• 4.2.4. Khối mô phỏng mạch DC-link
• 4.3. Các khối ở phần đo lường và điều khiển
• 4.3.1. Khối chuyển đổi hệ tọa độ
• 4.3.2. Khối điều khiển RSC
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 4.4.1. Mô phỏng 1: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 2,5 kHz
• 4.4.2. Mô phỏng 2: DFIG 15 kW, Vdc = 400 V, fcr = 5 kHz
• 4.4.3. Mô phỏng 3: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 2,5 kHz
• 4.4.4. Mô phỏng 4: DFIG 250 kW, Vdc = 800 V, fcr = 5 kHz
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Những kết quả đạt được
• 5.2. Những hạn chế
• 5.3. Hướng phát triển trong tương lai
• CÔNG BỐ KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo trên phạm vi toàn cầu đã thúc đẩy quy mô công suất lắp đặt turbine gió tăng trưởng vượt bậc, từ 24 MW vào năm 2001 lên 240 MW vào năm 2011 và đạt xấp xỉ 800 MW vào giai đoạn năm 2020. Trong bức tranh công nghệ này, hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) chiếm lĩnh gần 50% thị phần turbine gió thương mại nhờ ưu thế vượt trội về chi phí, khi bộ biến đổi công suất back-to-back chỉ cần định mức từ 25% đến 33% công suất danh định của máy phát. Tuy nhiên, khi bộ biến đổi phía rotor (RSC) vận hành ở chế độ nghịch lưu trong dải tốc độ dưới đồng bộ (dao động quanh mức ±33% tốc độ đồng bộ), kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) truyền thống tạo ra điện áp common-mode (CMV) có biên độ đỉnh lên tới ±Vdc/2 (tương đương ±200 V với cấp áp DC-link 400 V hoặc ±400 V với cấp áp DC-link 800 V).

Hiện tượng điện áp common-mode với độ biến thiên điện áp rất cao (dv/dt) là nguyên nhân trực tiếp kích hoạt điện áp cảm ứng trên trục máy, làm suy giảm lớp cách điện cuộn dây và gây ra các dòng điện ổ bi phá hủy bề mặt cơ khí. Mục tiêu nghiên cứu cốt lõi của luận văn là xây dựng và kiểm chứng giải thuật điều khiển điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang có hàm offset (RCMV CBPWM) nhằm giảm biên độ CMV xuống mức ±Vdc/6, tương ứng mức cắt giảm 66,67% biên độ điện áp common-mode. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua mô hình động học DFIG ở hai mức công suất 15 kW và 250 kW tại các tần số sóng mang 2,5 kHz và 5 kHz. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc gia tăng độ tin cậy vận hành, kéo dài tuổi thọ ổ bi máy điện thêm ước tính khoảng 30% và tiết giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng định kỳ cho các trang trại điện gió.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được thiết lập dựa trên ba trụ cột lý thuyết nền tảng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện và điện tử công suất:

• Lý thuyết chuyển đổi hệ tọa độ và mô hình vector không gian: Áp dụng phép biến đổi Park và Clarke (abc/αβ và abc/dq) với hệ số tỷ lệ 2/3 để chuyển đổi các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông xoay chiều 3 pha lệch nhau 120 độ thành hai thành phần dòng một chiều trên trục dọc (d) và trục ngang (q) trong hệ quy chiếu quay đồng bộ với tần số góc stator.
• Kỹ thuật điều khiển định hướng điện áp stator (SVOC): Bằng cách định hướng vector điện áp stator trùng với trục d, thành phần điện áp trên trục q bị triệt tiêu hoàn toàn về 0 V. Cấu trúc này cho phép phân tách và điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của stator thông qua việc hiệu chỉnh trực tiếp hai thành phần dòng điện rotor trên trục d và trục q qua các bộ điều khiển PI.
• Lý thuyết điện áp common-mode và kỹ thuật RCMV CBPWM: Điện áp CMV trong bộ nghịch lưu nguồn áp 2 bậc 3 pha được xác định bằng trung bình cộng điện áp ba pha quy về điểm trung tính nguồn DC. Kỹ thuật đề xuất thay thế các vector zero (V0 và V7 gây ra đỉnh CMV bằng ±Vdc/2) bằng các cặp vector tích cực đối xứng (như V3 và V6) thông qua việc tổng hợp hàm offset tối ưu trong dải từ giá trị cực tiểu đến giá trị cực đại, đơn giản hóa cấu trúc tính toán so với kỹ thuật điều chế vector không gian 4 trạng thái (RCMV 4S SVM).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink phiên bản R2016b với bộ công cụ SimPowerSystems. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 4 kịch bản vận hành toàn diện đại diện cho hai cấu hình công suất máy phát DFIG tiêu chuẩn: hệ thống 15 kW (điện áp DC-link 400 V) và hệ thống công nghiệp 250 kW (điện áp DC-link 800 V), được thử nghiệm chéo tại hai tần số sóng mang điều chế là 2,5 kHz và 5 kHz.

Phương pháp chọn mẫu dữ liệu tập trung vào trạng thái xác lập và đáp ứng quá độ khi thay đổi bước nhảy công suất tham chiếu trong chế độ vận hành dưới đồng bộ. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số kết hợp phân tích phổ biến đổi Fourier nhanh (FFT) là nhằm đo lường chính xác phổ sóng hài dòng điện lên đến bậc 50, kiểm soát độ méo dạng sóng hài tổng (THD) theo tiêu chuẩn IEEE-519, đồng thời đánh giá định lượng sự thay đổi của biên độ điện áp CMV mà không gây rủi ro phá hủy thiết bị cơ khí thực tế. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu và thu thập dữ liệu được thực hiện chặt chẽ trong khung thời gian từ tháng 1 năm 2018 đến tháng 6 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu mô phỏng đã đem lại 4 phát hiện khoa học mang tính đột phá:

• Giảm thiểu vượt bậc biên độ điện áp common-mode: Khi áp dụng giải thuật RCMV CBPWM, biên độ đỉnh CMV của hệ thống DFIG 15 kW giảm từ mức ±200 V (tương đương ±Vdc/2 trong SPWM truyền thống) xuống ổn định ở mức ±66,67 V (tức ±Vdc/6). Đối với hệ thống 250 kW ở điện áp DC-link 800 V, biên độ CMV giảm từ ±400 V xuống chỉ còn ±133,33 V, đạt tỷ lệ suy giảm chính xác 66,67%.
• Triệt tiêu hoàn toàn trạng thái chuyển mạch biên độ lớn: Dạng sóng CMV không còn xuất hiện các xung đỉnh điện áp cao do vector zero gây ra, chuỗi chuyển mạch chỉ luân chuyển mượt mà giữa hai mức điện áp hẹp là +Vdc/6 và -Vdc/6, giúp triệt tiêu các gai nhọn phóng điện dv/dt.
• Duy trì khả năng điều khiển bám công suất độc lập: Các kênh điều khiển công suất tác dụng và phản kháng phía stator đáp ứng chính xác theo giá trị đặt tham chiếu với thời gian quá độ dưới 0,05 giây, độ vọt lố được kiểm soát dưới 2% và hoàn toàn không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi giải thuật offset PWM.
• Đảm bảo chất lượng sóng hài dòng điện theo tiêu chuẩn: Phân tích FFT cho thấy độ méo dạng sóng hài tổng của dòng điện stator luôn duy trì dưới 3,5% ở tần số sóng mang 2,5 kHz và tiếp tục giảm xuống dưới 2,0% khi tăng tần số sóng mang lên 5 kHz, đáp ứng nghiêm ngặt các quy định nối lưới hiện hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp giải thuật RCMV CBPWM đạt hiệu quả vượt trội nằm ở việc xây dựng hàm offset toán học để phân bổ lại thời gian đóng ngắt của các khóa bán dẫn nhánh trên (S1, S3, S5) và nhánh dưới (S4, S6, S2). Việc loại bỏ hoàn toàn thời gian thực thi của hai vector không V0(0,0,0) và V7(1,1,1) đã loại bỏ nguồn gốc tạo ra điện áp điểm trung tính cực đại.

Dữ liệu nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua các biểu đồ miền thời gian so sánh dạng sóng CMV tức thời, cùng với bảng tổng hợp phân tích phổ FFT đối chiếu giữa các tần số sóng mang 2,5 kHz và 5 kHz. So với các công bố khoa học sử dụng cấu hình nghịch lưu NPC 3 bậc vốn đòi hỏi số lượng linh kiện tăng gấp 2 lần và thuật toán cân bằng điện áp tụ DC phức tạp, giải thuật CBPWM trên cấu hình 2 bậc trong luận văn mang lại hiệu năng giảm CMV tương đương nhưng giúp giảm trên 40% khối lượng tính toán của bộ xử lý số tín hiệu (DSP).

Đề xuất và khuyến nghị

• Tích hợp giải thuật RCMV CBPWM vào bộ vi xử lý DSP: Các doanh nghiệp sản xuất tủ điều khiển điện gió cần nạp mã nguồn giải thuật sử dụng hàm offset trực tiếp lên vi điều khiển DSP chuyên dụng trong thời hạn 3 đến 6 tháng nhằm hạ biên độ CMV xuống 66,67% trên các tổ máy DFIG thương mại.
• Tối ưu hóa tần số sóng mang đóng ngắt ở mức 5 kHz: Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy điện gió nên thiết lập tần số sóng mang từ 2,5 kHz lên 5 kHz trong kế hoạch kỹ thuật 2 tháng để giảm THD dòng điện stator xuống dưới 2,0%, đồng thời giảm dung lượng và kích thước của bộ lọc thụ động khoảng 15%.
• Lắp đặt hệ thống giám sát online dòng điện trục và điện áp ổ bi: Đơn vị quản lý vận hành cần trang bị cảm biến đo dòng rò cao tần với độ nhạy 0,1 A tại trục máy phát trong lộ trình 6 đến 9 tháng nhằm theo dõi liên tục ứng suất cách điện cơ khí.
• Nâng cấp cấu trúc điều chế cho các bộ biến đổi đa bậc: Các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành cần triển khai đề tài mở rộng thuật toán hàm offset cho mạch nghịch lưu 3 bậc và đa pha trong vòng 12 tháng nhằm hướng tới mục tiêu triệt tiêu hoàn toàn điện áp common-mode về 0 V.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế hệ thống điện tử công suất: Tiếp cận chi tiết phương pháp xây dựng hàm offset và thuật toán PWM dựa trên sóng mang để lập trình điều khiển tối ưu cho các bộ nghịch lưu nguồn áp 2 bậc và 3 bậc.
• Chuyên gia quản lý và bảo dưỡng trang trại điện gió: Ứng dụng các phân tích về cơ chế dòng điện ổ bi và ứng suất dv/dt để xây dựng quy trình bảo trì dự đoán, giảm thiểu nguy cơ dừng máy sự cố ở các turbine DFIG từ 1,5 MW đến 6 MW.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng mô hình toán học DFIG trong hệ tọa độ dq và cấu trúc mô phỏng MATLAB/Simulink R2016b như một bộ khung chuẩn mực để phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển dự báo.
• Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật: Khai thác các phân tích lý thuyết biến đổi tọa độ, kỹ thuật SVOC và đồ thị vector không gian làm học liệu giảng dạy chuyên sâu cho học phần Điều khiển truyền động xoay chiều và Năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

Điện áp common-mode trong hệ thống DFIG sinh ra từ đâu và gây hại như thế nào?
Điện áp common-mode sinh ra do quá trình đóng cắt không đồng thời của các khóa bán dẫn bán dẫn IGBT trong bộ biến đổi nguồn áp phía rotor. Điện áp này tạo ra dòng điện rò, phá hủy bề mặt tiếp xúc cơ khí của ổ bi máy điện và làm suy giảm tuổi thọ lớp cách điện cuộn dây stator.

Giải thuật RCMV CBPWM giúp giảm biên độ CMV được bao nhiêu phần trăm?
Giải thuật đề xuất giúp giảm chính xác 66,67% biên độ đỉnh của điện áp common-mode, đưa giá trị cực đại từ ±Vdc/2 (±200 V hoặc ±400 V) xuống chỉ còn ±Vdc/6 (±66,67 V hoặc ±133,33 V) nhờ việc triệt tiêu sự xuất hiện của các vector điện áp zero.

Tại sao nghiên cứu lại chọn kỹ thuật CBPWM thay vì kỹ thuật SVM truyền thống?
Kỹ thuật điều chế dựa trên sóng mang có hàm offset mang lại khả năng thực thi thuật toán nhanh chóng, giảm đáng kể khối lượng tính toán cho vi xử lý DSP và dễ dàng mở rộng cho các hệ thống biến đổi công suất đa mức so với kỹ thuật không gian vector phức tạp.

Chất lượng dòng điện và sóng hài THD có bị ảnh hưởng khi áp dụng giải thuật giảm CMV không?
Chất lượng dòng điện vẫn được đảm bảo tối ưu với độ méo sóng hài tổng THD của dòng điện stator luôn duy trì dưới 3,5% ở tần số 2,5 kHz và giảm sâu dưới 2,0% ở tần số 5 kHz, hoàn toàn thỏa mãn các quy chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt của tiêu chuẩn IEEE-519.

Kỹ thuật điều khiển định hướng điện áp stator (SVOC) có vai trò gì trong hệ thống?
Kỹ thuật SVOC thực hiện việc định hướng vector điện áp stator theo trục d, giúp tách biệt hoàn toàn kênh điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thành hai bài toán điều khiển tuyến tính độc lập thông qua hai thành phần dòng điện rotor idr và iqr.

Kết luận

• Làm rõ bản chất vật lý và cơ chế suy giảm tuổi thọ máy điện do điện áp common-mode gây ra trong bộ biến đổi phía rotor của hệ thống turbine gió DFIG.
• Thiết lập hoàn chỉnh mô hình toán học DFIG trên hệ tọa độ quay đồng bộ dq kết hợp thuật toán điều khiển SVOC giúp điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng.
• Đề xuất thành công giải thuật điều chế RCMV CBPWM sử dụng hàm offset, giúp cắt giảm 66,67% biên độ điện áp CMV từ ±Vdc/2 xuống ±Vdc/6.
• Kiểm chứng định lượng độ tin cậy và tính ổn định của giải thuật qua 4 kịch bản mô phỏng trên MATLAB/Simulink R2016b ở các cấp công suất 15 kW và 250 kW.
• Bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp lên lưới điện với chỉ số sóng hài tổng THD dòng stator luôn đạt mức dưới 3,5%.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp một giải pháp phần mềm điều khiển tối ưu, không phát sinh chi phí phần cứng bổ sung nhưng giải quyết triệt để vấn đề xung điện áp common-mode. Lộ trình tiếp theo bao gồm việc triển khai thử nghiệm thực tế trên phần cứng DSP TMS320F28335 trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác ngay giải thuật này để nâng cao hiệu suất vận hành của các hệ thống điện gió hiện đại.

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.