chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng được trình bày chi tiết trong chương 3.
Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector điện áp lưới dq. Trên cơ sở các mô hình toán đã có để xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện cụ thể.
Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat. Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi lỗi lưới. Tác hại của việc lỗi lưới đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió.
Phần tiếp theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới. Các đóng góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các trạng thái lỗi lưới khác nhau. Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu. Từ 5 đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng.
Phần cuối cùng của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng. Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài. Phần cuối của chương 3 đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện nguồn kép. Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò m ột bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới có dạng hình sin hơn khi làm việc với các tải phi tuyến.
Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha. Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòa đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm việc bình thường cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực. Trọng tâm của chương 4 dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi lỗi lưới đối xứng và không đối xứng. Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp.
Trường hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới. Trường hợp thứ hai là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so sánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới.
Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị.1 Khái quát về năng lượng gió Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94. Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.
Trong khi dung lượng đó ở Mỹ đã tăng từ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn 16. Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1. Hệ thống phát điện sức gió Máy phát một Máy phát xoay chiều chiều Máy phát xoay Máy phát xoay chiều 1 pha chiều 3 pha Máy phát đồng bộ Máy phát không kích thích vĩnh cửu đồng bộ Máy phát không Máy phát không đồng bộ 3 pha rotor đồng bộ 3 pha lồng sóc nguồn kép Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng 7 sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn. Ngày nay, các hệ thống tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor.
Các máy phát như vậy còn được gọi là các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK). Bên cạnh khả năng làm việc với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng của các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46]. Điều này cho phép giảm được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84]. Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc.
Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1. S n -1 Trên đồng bộ Trên đồng bộ Chế độ máy phát Chế độ động cơ 0>s>-∞ 0>s>-∞ ns 0 Dưới đồng bộ Dưới đồng bộ Chế độ máy phát Chế độ động cơ 1>s>0 1>s>0 0 1 m (a) Lưới điện Lưới điện Rotor Rotor Stator Stator (b) (c) Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và dòng chảy năng lượng tương ứng. (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới.
Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian. Gió Điện áp !m một chiều trung gian MPKĐBNK AC AC DC DC Bộ điều khiển Bộ điều khiển phía máy phát phía lưới cos' ¤n u ¤dc Te¤ Q ¤g Quản lý Điều khiển hệ thống góc pitch Điều khiển turbine Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió [45] Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20]. Phần điều khiển tuốc bin cung cấp các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ Te* cho phần điều khiển máy phát nguồn kép. Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của tuốc bin.
Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch θ p được đưa trực tiếp tới bộ phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó, mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và 9 công suất phản kháng của máy phát ở các giá trị mong muốn.1 Công suất của tuốc bin gió Công suất của tuốc bin gió được tính theo công thức sau [29, 48, 65, 66]: 1 Ptb = ρtbπ Rcg2 vgm 3 Ctb (1.1) 2 Trong đó, ρ tb là mật độ không khí ( kg/m 3 ), Rcg bán kính của cánh gió ( m ), v gm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió ( m/s ), Ctb là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tuốc bin gió và được cho bởi Ctb = f (θ p , λtb ) (1.2) với θ p là góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của cánh gió và được gọi tắt là góc pitch, λtb là một hệ số phụ thuộc vào cả tốc độ góc quay của tuốc bin ωtb và tốc độ gió v gm ωtb (t ) Rcg λtb (t ) = (1.