ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA Créer LL) vew TRAN MINH HUY MO HINH VA DIEU KHIEN TURBINE GIO NOI LUOI DFIG LUAN VAN THAC SI Tp. Hỗ Chí Minh, thang 7 năm 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Dai học Bách Khoa - ĐHỌG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học :.-- 2s + SE SE E#E+E+EEEEEEEeEeererersrred (Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :.- 2S Se SE S3 S3 ESESEEEESESEEEEEESEEEEeErEEeErerersres (Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :. G2 te SE S33 E9ESEE9EEEEEEEEEEEEEEESESEEsErererrres (Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DH Quốc Gia tp. Hồ Chí Minh ngày 13 tháng 7 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyền ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Trần Minh Huy MSHV: 10181135 Ngày, tháng, năm sinh: 14/12/1987 Nơi sinh: TP Đà Nẵng Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số : 605250 I. TÊN DE TÀI: Mô hình và điều khiến turbine gió nối lưới DFIG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích mô hình và thực hiện mô phỏng hệ thông điều khiến máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) sử dụng trong hệ thống biến doi năng lượng gió. Nội dung dé tài là xây dựng giải thuật điều khiến bộ biến đổi công suất phía rotor dé điều khiến độc lập công suất tác dung, công suất phản kháng stator của DFIG và xây dựng giải thuật điều khiến bộ biến đổi công suất phía lưới để điều khiển điện áp nguồn DC chung. Mô hình hệ thống điều khiến DFIG được xây dựng và mô phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink.
NGÀY GIAO NHIỆM VU: 21/01/2013 Ill. NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 21/6/2013 IV.CÁN BO HUONG DAN: TS. Nguyễn Ngọc Tú Tp. Hô Chi Minh, ngày.
năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRUONG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TU (Họ tên và chữ ký) LỜI CÁM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Ngọc Tú đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành luận văn này, đồng thời em xin cám ơn các quý thay, cô đã giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức về chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tiễn trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Do thời gian có hạn và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn này không tránh được nhiều sai sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của quý thay, cô dé luận văn được hoàn thiện hơn.
em xin chân thành cám ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong suốt khóa học. TOM TAT LUẬN VĂN Luận văn trình bày phương pháp điều khiến trực tiếp công suất tác dụng và công suất phản kháng stator của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) ứng dụng trong hệ thông biến đổi năng lượng gió thay thế cho phương pháp điều khiển định hướng trường truyền thống (FOC). Phương pháp FOC có cấu trúc điều khiển phức tạp bao gồm bộ điều khiến dòng, bộ điều khiến công suất và phép biến đổi hệ toa độ. Đặc tính hoạt động của FOC phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi các thông số điện trở rotor, điện trở stator và điện cảm của DFIG.
Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất (DPC) tao ra đáp ứng công suất nhanh và bền vững mà không cần cấu trúc và thuật toán phức tạp. Tuy nhiên, một hạn chế của phương pháp DPC là công suất đầu ra của hệ thống có độ gợn sóng cao trong thời gian xác lập. Do đó để cải thiện hạn chế này của phương pháp DPC, luận văn sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC) dé thay thế cho bộ điều khiển PI. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiến turbine gió nối lưới DFIG băng phương pháp DPC sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều khién FLC được thực hiện, so sánh và thảo luận.
ABSTRACT This thesis presents an implementation of a direct active and reactive power control for a doubly fed induction generator (DFIG), which is applied to a wind generation system as an alternative to the classical field-oriented control (FOC). The FOC has a complex control structure that consists of a current controller, a power controller and frame transformations. The performance of the FOC depends highly on parameter variations of the rotor and stator resistances and the inductances. The proposed direct power control (DPC) method produces a fast and robust power response without the need of complex structure and algorithms.
One drawback, however, is its high power ripple during a steady state. In oder to improve the high power ripple during a steady state, the fuzzy logic controller (FLC) are used to replace PI controller used in the original DPC method. Simulation results with the PI controller and FLC for a DFIG are given and discussed. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các nội dung, kết quả trình bày trong luận văn này do bản thân tôi thực hiện.
Cơ sở lý thuyết, số liệu sử dụng trong luận văn nảy có nguồn gốc rõ ràng và trích dẫn trong tài liệu tham khảo. Các phân tích và kết luận dựa trên các kết quả mô phỏng do tôi thực hiện trong phạm vi nghiên cứu của dé tài. NGƯỜI CAM ĐOAN Trần Minh Huy DANH MỤC HINH VE Hình 1.1: Biểu đồ công suất turbine gió hàng năm trên thé giới Hình 1.2: Biéu đồ tổng công suất turbine gió trên thé giới Hình 1.3: Biểu đồ các quốc gia có công suất turbine gió lớn nhất Hình 2.1: Hệ thống biến đổi năng lượng gió Hình 2.2 : Hàm mật độ xác suất của tương ứng với các vận tốc gió trung bình Hình 2.3: Lưu lượng không khí xung quanh turbine gió Hình 2.4: Giá trị cực đại hiệu suất turbine 210 trên lý thuyết Hình 2.5: Đường cong hiệu suất turbine gió Hình 2.6: Đường cong công suất turbine gió với tốc độ thay đổi Hình 2.7 : Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió Hình 2.8: Hệ thống turbine gió tốc độ cô định Hình 2.9: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đôi với máy phát cấp nguôn 1 phía Hình 2.10: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát cấp nguồn 2 phía Hình 2.11: Sơ đồ chỉ tiết về hệ thống turbine gió nối lưới DFIG Hình 2.12: Đặc tính tốc độ-moment của hệ thống DFIG Hình 2.13: Mạch tương đương của DFIG ở chế độ xác lập Hình 2.14: Sơ đồ pha DFIG Hình 2.15: Chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG Hình 2.16: Chế độ hoạt động trên đồng bộ của DFIG Hình 2.17: Chế độ hoạt động đồng bộ của DFIG Hình 3.1 Mô hình máy điện trong hệ tọa độ abc Hình 3.2 Sơ dé vectơ bién đồi từ hệ tọa độ abc sang dq Hình 3.3 Mạch tương đương mô hình DFIG trong hệ tọa độ dg Hình 3.4 Mô hình DFIG trong hệ tọa độ rotor Hình 3.5 Mô hình trung bình bộ biến đôi nguén áp Hình 3.6 Mạch tương đương nguồn DC chung Hình 4.1: Sơ dé hệ thống điều khiến turbine gió nối lưới trang bi DFIG Hình 4.2: Các thành phan từ lưới đến bộ biến đối nguồn áp PWM phía lưới Hình 4.3: Sơ đồ vector của điện áp lưới trong hệ toa độ dq Hình 4.4: Sơ đồ điều khiến cho bộ biến đổi công suất phía lưới Hình 4.5 Sơ đồ khối bộ điều khiến dòng điện lưới PI Hình 4.6: Vector từ thông stator trong hệ tọa độ đồng bộ dg Hình 4.7: Sơ đồ điều khiến bộ biến đổi công suất phía rotor bằng phương pháp FOC Hình 4.8: Sơ đồ khối vòng điều khiển công suất và điều khiển dòng bằng phương pháp FOC truyền thống Hình 4.9: So đồ điều khiến bộ biến đổi công suất phía rotor bằng phương pháp DPC Hình 4.10: Sơ đồ khối vòng điều khiến công suất Hình 4.11: Cau trúc tong quan của hệ mờ Hình 4.12: Hình dạng khác nhau của các hàm thành viên Hình 4.13: Sơ đồ vòng điều khiển công suất băng bộ điều khiến logic mờ Hình 4.14: Tập mờ của sai số công suất ep Hình 4.15 : Sơ đồ điều khiến bộ biến đổi công suất phía rotor sử dụng bộ điều khiến logic mờ (FLC) dựa trên phương pháp điều khién trực tiếp công suất Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiến DFIG Hình 5.2 Sơ đỗ mô phỏng máy phát điện nguồn kép (DFIG) trong hệ tọa độ rotor Hình 5.3 So đồ điều khiến phía rotor sử dụng các bộ điều khiến PI Hình 5.4 Sơ đồ điều khiến phía rotor sử dụng các bộ điều khiển FLC Hình 5.5 Giao diện bộ điều khiến FLC Hình 5.6 Hàm thành viên dạng tam giác của biến tương ứng với các giá trị mờ Hình 5.7 Bề mặt vùng hoạt động bộ điều khiến FLC Hình 5.8 Mô hình bộ PLL (Phase-Locked Loop) Hình 5.9 Sơ đỗ điều khiến phía lưới (Grid side controller) Hình 5.10 Khối mô phỏng bộ biến đổi công suất kép (back-to-back converter) Hình 5.11 Kết quả điều khiến DFIG tốc độ rotor không đổi với bộ PI Hình 5.12 Kết quả điều khiến DFIG tốc độ rotor không đổi với bộ FLC Hình 5.13 Kết quả so sánh bộ PI và FLC trường hợp tốc độ rotor không đổi Hình 5.14 Tốc độ rotor của DFIG Hình 5.15 Kết quả điều khiến DFIG tốc độ rotor thay đổi với bộ PI Hình 5.16 Kết quả điều khiến DFIG tốc độ rotor thay đôi với bộ FLC Hình 5.17 Kết quả so sánh bộ PI và FLC trường hợp tốc độ rotor thay đồi CH ƠNG 1 MỞ DAU 1.1 Giới thiệu tổng quan về năng lượng gió Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của thế giới, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch (như dầu mỏ, than đá, khí đốt.) ngày càng cạn kiệt, thêm vào đó mức độ ô nhiễm môi trường ngày càng tăng và những thay đổi đáng lo ngại về sự biến đổi khí hậu do tác động của các nguồn năng lượng hóa thạch gây ra là một trong những bài toán cần giải quyết của thế giới. Đó là ly do ma các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sinh khối .