Chương 1. Tổng quan Tuabin gió tốc độ thay đổi (Variable speed wind tuabin) đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của tuabin gió có tốc độ cố định. Nhƣng bất lợi của các tuabin gió này là hệ thống điện phức tạp, vì cần có bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra khả năng hoạt động với tốc độ thay đổi, và do đó chi phi cho tuabin gió tốc độ thay đổi lớn hơn so với các tuabin có tốc độ cố định. Tuabin gió với tốc độ thay đổi có hai loại: tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới và tuabin gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator).
Loại tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa mạch stator của máy phát và lƣới (xem hình 1.6), bộ biến đổi đƣợc tính toán với công suất định mức của toàn tuabin. Máy phát ở đây có thể là máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc máy phát đồng bộ. Tuabin gió có tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp với lưới Ngày nay với xu hƣớng ngày càng phát triển việc sử dụng nguồn năng lƣợng sạch tái tạo từ gió, trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo các loại tuabin gió với công suất lớn đến trên 7 MW, nếu dùng loại tuabin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lƣới thì sẽ tốn kém do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuabin. Vì vậy các hãng chế tạo tuabin gió có xu hƣớng sử dụng DFIG làm máy phát trong các hệ thống tuabin gió công suất lớn để giảm công suất của bộ biến đổi và do đó giảm giá thành (xem hình 1.
Vì bộ biến đổi đƣợc nối vào mạch rotor của máy phát, công suất của nó thƣờng chỉ bằng cỡ 1/3 tổng công suất toàn hệ thống, các thiết bị đi kèm nhƣ bộ lọc biến đổi cũng rẻ hơn vì cũng đƣợc thiết kế với công suất bằng 1/3 công suất của toàn hệ thống. Tổng quan Hình 1. Tuabin gió có tốc độ thay đổi sử dụng DFIG Ưu điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG: - Cho phép duy trì biên độ và tần số của điện áp đầu ra là hằng số mà không phụ thuộc vào tốc độ gió giúp cho hệ thống tuabin gió – DFIG nối đƣợc với lƣới và duy trì đƣợc sự đồng bộ với lƣới tại mọi thời điểm. - Nó có thể điều khiển độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng bằng cách điều khiển dòng điện kích từ rotor từ đó thực hiện điều chỉnh hệ số công suất.
- DFIG là máy điện không đồng bộ nên có cấu tạo đơn giản và rẻ hơn nhiều so với máy phát đồng bộ. Trong DFIG, công suất danh định bộ biến đổi thƣờng khoảng 20-30% tổng công suất hệ thống nên giảm giá thành bộ biến đổi, ít sinh ra sóng hài khi nối với lƣới và cải thiện đƣợc hiệu suất hệ thống. - Trong trƣờng hợp lƣới công suất nhỏ, điện áp có thể dao động, DFIG có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát. - Hiệu suất biến đổi năng lƣợng cao.
Nhược điểm của hệ thống tuabin gió - DFIG: - Cần phải có vành trƣợt và chổi than và yêu cầu phải bảo dƣỡng chúng thƣờng xuyên. - Dung lƣợng công suất phản kháng bị giới hạn. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố Các kết quả trong nước: 9 Chương 1. Tổng quan - Điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió với bộ điều khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật Backstepping – PGS.
TSKH Nguyễn Phùng Quang - Năm 2007. - Các kết quả thực nghiệm điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện chạy sức gió áp dụng phƣơng pháp thiết kế phi tuyến backstepping - Cao Xuân Tuyển, Nguyễn Phùng Quang - Năm 2006. - Thiết kế bộ điều khiển hòa lƣới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG – PGS. TS Lại Khắc Lãi - Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên số 10.
Các kết quả ngoài nước: - Active Power Control Strategies of DFIG Wind Turbines - Noël A. Janssens, Senior Member, IEEE, Guillaume Lambin, and Nicolas Bragard – IEEE Power Tech 2007, Lausanne (Switzerland), 1-5 July 2007. - Development of Optimal Controllers for a DFIG Based Wind Farm in a Smart Grid Under Variable Wind Speed Conditions - Priyam Chakravarty, Student Member, IEEE, and Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Senior Member, IEEE. - Simulation and Analysis of a DFIG Wind Energy Conversion System with Genetic Fuzzy Controller - B.
Devarajan - International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN: 2231-2307, Volume-2, Issue-2, May 2012. - Study of a Simplified Model for DFIG-Based Wind Turbines - F. - A Complete Modeling and Simulation of Induction Generator Wind Power Systems - Yu Zou, Malik Elbuluk, Yilmaz Sozer, IEEE, 2010. - Doubly fed induction generator systems for wind turbines - S.
De Doncker, IEEE, 2002. Tổng quan - Doubly fed induction generator uising back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation - R. Asher, IEEE Puoc. - Pitch angle control for variable speed wind turbines - Jianzhong Zhang, Ming Cheng, Zhe Chen, Xiaofan Fu, Nanjing China, 2008.
Mục đích nghiên cứu Hệ thống tuabin gió - DFIG là hệ thống phát điện gió phổ biến nhất trong ngành công nghiệp năng lƣợng gió hiện nay. DFIG có khả năng điều chỉnh độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng, nó có khả năng điều chỉnh đƣợc giá trị điện áp đầu ra khi có dao động điện áp trên lƣới. Do đó, mục đích chính của đề tài là nghiên cứu hệ thống tuabin gió – DFIG, khả năng điều chỉnh độc lập công suất tác dụng với công suất phản kháng và khả năng điều chỉnh điện áp của hệ thống. Đối tƣợng nghiên cứu - Hệ thống tuabin gió trục ngang.
- Khảo sát các thông số của mô hình tuabin gió - DFIG. - Khả năng điều chỉnh điện áp của hệ thống tuabin gió – DFIG. - Mô hình hóa mô phỏng với phần mềm Matlab/Simulink. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài + Ý nghĩa khoa học: - Đây là hƣớng nghiên cứu mới có rất nhiều nhà khoa học đang quan tâm và chƣa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về vấn đề này.
+ Ý nghĩa thực tiễn: - Đề tài đƣa ra hệ thống tuabin gió - DFIG với bộ biến đổi công suất AC/DC/AC với khả năng điều chỉnh độc lập công suất phản kháng và công suất tác dụng đồng thời có khả năng điều chỉnh điện áp. Đây là ứng dụng điện tử công suất vào hệ thống tuabin gió để thực hiện điều khiển nhằm giảm tổn hao và tối ƣu hóa hệ số công suất lƣới. Nhiệm vụ nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu đề tài phải thực hiện đƣợc các nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu về mô hình hệ thống tuabin gió - DFIG nối với lƣới và các mô hình vận hành khác nhau của hệ thống tuabin gió - DFIG. - Nghiên cứu về các bộ điều khiển trong hệ thống tuabin gió - DFIG.
- Thực hiện mô phỏng trên Matlab/Simulink. - Tóm tắt lại vấn đề đã nghiên cứu và đƣa ra hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thực hiện mô hình hóa, phân tích và tổng hợp các vấn đề cần nghiên cứu của hệ thống tuabin gió - DFIG. - Thực hiện mô phỏng trong môi trƣờng Matlab/Simulink.
- So sánh và đƣa ra nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng. Đề cƣơng luận văn Các nội dung chính sẽ nghiên cứu trong luận văn gồm 6 chƣơng: - Chƣơng 1 trình bày về tổng quan về hệ thống tuabin gió - DFIG và đƣa ra những lý do cũng nhƣ các mục đích của việc nghiên cứu đề tài. - Chƣơng 2 đƣa ra các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện nghiên cứu để tài. - Chƣơng 3 phân tích các thành phần chính của hệ thống tuabin gió – DFIG và các mô hình vận hành khác nhau của hệ thống.
- Chƣơng 4 phân tích hệ thống điều khiển trong hệ thống tuabin gió – DFIG. - Chƣơng 5 thực hiện mô phỏng để chứng minh cho những phân tích trƣớc đó trong luận văn. - Chƣơng 6 tóm tắt lại vấn đề đã nghiên cứu và đƣa ra hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. Cơ sở lý thuyết Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ abc↔𝛂𝛃↔dq Xét máy điện không đồng bộ (MĐKĐB) ba pha A, B, C nhƣ hình 2. Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của MĐKĐB ba pha Do 3 pha stator đối xứng nhau và lệch nhau 1200 điện nên ta có [Theo tài liệu tham khảo số 1, trang 167 - 177]: usa(t) + usb (t) + usc(t) = 0 (2.1) usa us coss t 2 Trong đó: usb u s cos( st ) (2.2) 3 2 usc us cos( st 3 ) o ωs= 2πfs/p là tốc độ đồng bộ. o fs là tần số của mạch stator. o p là số đôi cực của MĐKĐB o |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi (điện áp pha là các số thực).
Vector không gian của điện áp stator đƣợc định nghĩa là: 13 Chương 2. Cơ sở lý thuyết 2 4 2 j j us ( t ) usa ( t ) usb ( t ).3) 3 Các đại lƣợng khác nhƣ dòng điện stator, từ thông stator, dòng điện từ hóa, dòng điện rotor, từ thông rotor,. cũng có thể đƣợc định nghĩa dƣới dạng véctơ tƣơng tự nhƣ trên. Mô hình MĐKĐB trong hệ tọa độ 𝛂𝛃 Mô hình trong hệ tọa độ abc của MĐKĐB không thuận tiện cho các tính toán điều khiển, mặt khác ta thấy rằng tất cả các đại lƣợng véctơ đều quay trong mặt phẳng cắt ngang của máy điện, do đó có thể quy đổi sang hệ tọa độ α, β trong đó trục 0α đƣợc chọn trùng với trục dây quấn pha a stator, trục 0β là trục ảo vuông góc với 0α.
Khi đó véctơ không gian điện áp stator 𝑢𝑠 có thể đƣợc mô tả thông qua giá trị thực (usα) và giá trị ảo (usβ) là hai thành phần của véctơ (hình 2. Vector không gian điện áp stator 𝑢𝑠 trong hệ tọa độ αβ Khi đó ta có mối quan hệ giữa các đại lƣợng trong hai hệ tọa độ là: us ( t ) u sa ( t ) 1 (2.4) u s ( t ) [u sb ( t ) u sc ( t )] 3 Và: 14 Chương 2.