Đồ án Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nối với lưới sử dụng DFIG trên cơ sở tín hiệu đồng dạng rotor - Thân Ngọc Hoàng

96 trang huongle 2570

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nối với lưới sử dụng DFIG trên cơ sở tín hiệu đồng dạng rotor - Thân Ngọc Hoàng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_nghien_cuu_va_de_xuat_cau_truc_he_thong_dieu_khien_may.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nối với lưới sử dụng DFIG trên cơ sở tín hiệu đồng dạng rotor - Thân Ngọc Hoàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001 : 2008 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NỐI VỚI LƢỚI SỬ DỤNG DFIG TRÊN CƠ SỞ TÍN HIỆU ĐỒNG DẠNG ROTOR Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn HẢI PHÒNG, 15/09/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001 : 2008 NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN NỐI VỚI LƢỚI SỬ DỤNG DFIG TRÊN CƠ SỞ TÍN HIỆU ĐỒNG DẠNG ROTOR CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Các thành viên: TS. Nguyễn Trọng Thắng HẢI PHÒNG, 15/09/2014
i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 4 1.1 Tổng hợp các kết quả nghiên, ứng dụng DFIG trong hệ thống phát điện 4 1.1.1 Cấu trúc điều khiển tĩnh Scherbius 4 1.1.2 Điều khiển vector không gian 5 1.1.3 Điều khiển trực tiếp momen (direct torque control-DTC) 7 1.1.4 Điều khiển trực tiếp công suất (direct power control-DPC) 7 1.1.5 Cấu trúc điều khiển DFIG không cảm biến 7 1.1.6 Cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than (Brushless- Doubly – Fed Induction Generator- BDFIG) 8 1.2 Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp, mục tiêu của đề tài 9 1.3 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài 9 CHƢƠNG 2: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG DFIG BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG DẠNG TÍN HIỆU ROTOR 10 2.1 Các phƣơng trình toán mô tả DFIG 10 2.1.1 Những giả thiết cơ bản 10 2.1.2 Các phƣơng trình ở hệ trục pha 11 2.1.3 Phƣơng trình biến đổi stator và rotor 12 2.1.4 Phƣơng trình từ thông 14 2.1.5 Phƣơng trình momen 16 2.1.6 Biểu diễn các phƣơng trình của DFIG trên cơ sở vector không gian của đại lƣợng 3 pha 17
ii 2.2 Các cấu trúc ghép nối DFIG ứng dụng trong hệ thống phát điện 20 2.2.1 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG không chổi than 21 2.2.2 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor 25 tín hiệu rotor 27 2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 27 2.3.2 Mô hình toán DFIG1 và DFIG2 28 2.3.3 Mô hình hệ thống khi DFIG2 chƣa hòa với lƣới điện 29 2.3.4 Mô hình hệ thống sau khi DFIG2 hòa với lƣới điện 35 2.3.5 Các ƣu điểm của cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật động dạng tín hiệu rotor 38 Nhận xét và kết luận chƣơng 2 39 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT BẰNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT 40 3.1 Mở đầu 40 3.2 Các khâu chức năng trong hệ thống 40 3.3 Xây dựng mô hình hệ thống 42 3.4 Cách chỉnh định và vận hành hệ thống 47 3.4.1 Chỉnh định hệ thống khi stator của DFIG2 chƣa nối với lƣới 47 3.4.2 Vận hành hệ thống sau khi stator của DFIG2 nối với lƣới 47 3.5 Mô phỏng các đặc tính của các khâu trong hệ thống 47 3.5.1 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện chƣa hòa với lƣới 47 3.5.2 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện hòa với lƣới 52 Nhận xét và kết luận chƣơng 3 56 CHƢƠNG 4: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG KỸ THUẬT TÍN HIỆU ĐỒNG DẠNG ROTOR 57 4.1 Mở đầu 57
iii 4.2 Xác định cấu trúc đối tƣợng điều khiển 57 4.3 Thiết kế bộ điều khiển 60 4.3.1 Khái quát về hệ thống điều khiển mờ 61 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tƣợng 62 4.4 Phân chia tải hệ thống phát điện với lƣới điện 69 Nhận xét và kết luận chƣơng 4 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Kết luận 74 Kiến nghị 74 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA CỦA ĐỀ TÀI 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Tiếng việt 76 Tiếng anh 77
iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang 2.1 Các trƣờng hợp của máy điện dị bộ nguồn kép không chổi 21 than 3.1 Các thông số của DFIG1 và DFIG2 45 4.1 Phản ứng hệ thống kín khi thay đổi các tham số bộ điều 63 khiển PID 4.2 Luật suy diễn bộ chỉnh định mờ 64
v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung Trang 2.1 Sơ đồ đấu dây và chuyển tọa độ của DFIG 9 2.2 Biểu diễn vector dòng, điện áp, từ thông stator trên hệ 17 tọa độ αβ và dq 2.3 Cấu trúc ghép nối DFIG với bộ biến đổi công suất ở 20 phía stator 2.4 Máy điện dị bộ nguồn kép không chổi than 21 2.5 Nguyên lý hoạt động của BDFIG 22 2.6 Giản đồ dòng năng lƣợng trong BDFIG 23 2.7 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG trên cơ sở kỹ thuật 24 đồng dạng tín hiệu rotor 2.8 Cấu trúc hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ 26 thuật đồng dạng tín hiệu rotor 2.9 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ 29 thuật đồng dạng tín hiệu rotor với mạch nghịch lƣu nguồn áp khi chƣa hòa lƣới 2 f 2.10 Sơ đồ khối khâu tạo ir0 32 2.11 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ 32 thuật đồng dạng tín hiệu rotor với mạch khi chƣa hòa lƣới 2.12 Đồ thị vector quá trình tạo các thành phần dòng điện 33 rotor DFIG2 2.13 Vector dòng điện và điện áp stator DFIG2 trên tọa độ 35 tựa theo điện áp lƣới 2.14 Sơ đồ khối mô hình hệ thống phát điện sử dụng DFIG 37 bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor khi hòa lƣới 3.1 Sơ đồ khối hê thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ 39 thuật đồng dạng tín hiệu rotor 3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống 42
vi 3.3 Đồ thị vector quá trình tạo Sa’ 43 3.4 Kết quả mô phỏng khâu xoay 900 44 3.5 Điều khiển dòng điện theo phƣơng pháp Hysteresis 45 3.6 Kết mô phỏng mạch điều khiển dòng điện 45 3.7 Kết quả mô phỏng quá trình chỉnh đinh Gss 47 3.8 Đáp ứng hệ thống phát điện chƣa hòa lƣới khi tốc độ 49 rotor ɷ thay đổi 3.9 Đáp ứng của hệ thống phát điện chƣa hòa lƣới khi sụt 50 điện áp lƣới 3.10 Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi GP và GQ thay 52 đổi 3.11 Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi tốc độ thay đổi 53 3.12 Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi sụt điện áp lƣới 54 4.1 Đối tƣợng điều khiển 58 4.2 Sơ đồ khối đối tƣợng điều khiển 58 4.3 Mô hình hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID 60 chỉnh định mờ 4.4 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 61 4.5 Hệ thống điều khiển các thành phần công suất bằng bộ 61 điều khiển PID chỉnh định mờ 4.6 Bộ chỉnh định mờ và các hàm liên thuộc 63 4.7 Đồ thị quan hệ các biến vào ra của bộ chỉnh định mờ 64 4.8 Mô hình hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển PID 66 chỉnh định mờ 4.9 Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID 67 chỉnh định 4.10 Phân chia công suất chịu tải của máy phát với lƣới điện 68
vii 4.11 Kết quả mô phỏng phân chia công suất tải giữa máy 69 phát với lƣới 4.12 Kết quả mô phỏng khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 70 pha 4.13 Kết quả mô phỏng khả năng điều khiển bám giá trị đặt 71 của hệ thống khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 pha
1 MỞ ĐẦU 1. Tính bức thiết của đề tài Ngày nay, vấn đề an ninh năng lƣợng điện và đảm bảo đủ điện năng cung cấp cho các phụ tải là vấn đề rất quan trọng của mỗi quốc gia. Để đảm bảo đƣợc đủ điện năng cung cấp, thì nguồn năng lƣợng để chuyển hóa thành điện năng phải kết hợp, tận dụng đƣợc từ nhiều nguồn nhiên liệu và năng lƣợng khác nhau. Sản phẩm điện năng từ các nguồn phát này phải đảm bảo hoạt động đƣợc song song tức là hòa đồng bộ với nhau để cùng cung cấp cho hệ thống phụ tải tiêu thụ chung. Vì vậy, trên phƣơng diện từng trạm phát điện, thì điện năng phát ra của trạm phát phải hòa đƣợc với lƣới điện, việc này rất phức tạp và khó khăn khi tốc độ của máy phát thƣờng xuyên bị thay đổi, đã có một số giải pháp để giải quyết vấn đề này nhƣng một trong những giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép làm chức năng máy phát (DFIG). Máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện có ƣu điểm nổi bật là stator đƣợc nối trực tiếp với lƣới điện, còn rotor nối với lƣới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển đƣợc. Chính vì thiết bị điều khiển nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn rất nhiều công suất máy phát và dòng năng lƣợng thu đƣợc chảy trực tiếp từ stator sang lƣới, điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt khi công suất của máy phát lớn. Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển rotor của máy điện dị bộ nguồn kép rất khó khăn, cấu trúc hệ thống phức tạp và khó điều khiển. Vì vậy nhóm tác giả thực hiện đề tài khoa học: “Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện nối với lưới sử dụng DFIG trên cơ sở tín hiệu đồng dạng rotor” để giải quyết các vấn đề cấp bách trên. 2. Mục đích nghiên cứu Việc áp dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện phải đảm bảo đƣợc 2 chế độ công tác: 1. Làm việc song song đƣợc với lƣới; 2. Làm việc độc lập khi cần thiết. Trong đề tài, nhóm tác giả đi sâu vào khả năng làm việc
2 song song với lƣới điện bằng đề xuất một cấu trúc mới với hệ điều khiển đơn giản, chất lƣợng cao, khả năng bám lƣới bền vững. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là máy phát điện sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép, gồm: - Máy điện dị bộ nguồn kép là máy điện không đồng bộ rotor dây quấn cấp nguồn từ 2 phía, đây là máy điện hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao nhất trong các hệ thống máy phát điện nối với lƣới trong điều kiện tốc độ máy phát thay đổi. - Cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu máy phát làm việc trong chế độ hòa với lƣới điện “mềm”. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài là dựa trên cơ sở lý thuyết về các đặc điểm, tính chất và mô hình toán của DFIG, từ đó chứng minh và đề xuất mô hình điều khiển DFIG mới hiệu quả cao. Đồng thời, kết hợp với các thành tựu của lý thuyết điều khiển hiện đại, đặc biệt là lý thuyết điều khiển Mờ để xây dựng bộ điều khiển phù hợp với mô hình mới đề xuất. Hiệu quả của các đề xuất mới đƣợc kiểm chứng thông qua chứng minh bằng các mô hình toán và thông qua các đặc tính thời gian các khâu của mô hình trên Matlab-Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài là đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép làm chức năng máy phát, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát điện. Đề tài đã giải quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng, góp phần tiết kiệm chi phí vận hành các trạm phát điện. Giải quyết đƣợc trọn
3 vẹn yêu cầu kỹ thuật khó, đó là hòa đồng bộ máy phát với lƣới điện “mềm”, đồng thời nâng cao tính ổn định và độ an toàn của lƣới điện.
4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Tổng hợp các kết quả nghiên, ứng dụng DFIG trong hệ thống phát điện Ngày nay, máy điện dị bộ nguồn kép đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống phát điện, đặc biệt là trong các hệ thống phát điện với tốc độ thay đổi nhƣ hệ thống phát điện sức gió, hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy. Hiện tại cấu trúc phát điện sử dụng DFIG chiếm gần 50% thị trƣờng phát điện sức gió [48], với dải công suất từ 1.5MW đến 3MW, gồm 93 model của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới [71]. Ngoài ra, nhà sản xuất năng lƣợng tái tạo của Đức (The German company Repower) đã có 2 model với công suất trên 3 MW là: model 6M với tổng công suất phát ra 6.150 kW; model 5M với tổng công suất phát ra 5MW [85]. Một trong những lý do chính để DFIG đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát điện là bộ biến đổi công suất nhỏ so với công suất phát lên lƣới vì bộ biến đổi công suất đƣợc đặt ở phía rotor. Trong dải tốc độ giới hạn thì công suất của bộ biến đổi chỉ bằng 30% công suất phát lên lƣới [58][62]. Vì DFIG trong hệ thống phát điện có nhiều ƣu điểm và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế nên có rất nhiều công trình trong nƣớc và quốc tế nghiên cứu về điều khiển DFIG, sau đây là một số cấu trúc điều khiển DFIG điển hình. 1.1.1 Cấu trúc điều khiển tĩnh Scherbius Cấu trúc Scherbius đƣợc đề xuất bởi kỹ sƣ ngƣời đức Arthur Scherbius vào những năm đầu của thế kỷ 20. Bộ biến đổi nằm ở rotor cho phép công suất đi theo 2 chiều nên hệ thống có thể hoạt động ở chế độ dƣới đồng bộ và trên đồng bộ. Hai hệ thống đầu tiên sử dụng cấu trúc Scherbius là: 1. Hệ thống tĩnh Kramer [44] với mạch cầu diot ở phía rotor đƣợc thay thế bởi bộ biến đổi nguồn dòng với mạch trung gian một chiều (current-fed dc-link converter) [23][46][85][91]; 2. Hệ thống với bộ biến biến tần trực tiếp (cycloconverter) đƣợc nối giữa rotor và stator. Tuy nhiên 2 hệ thống này tạo ra sóng hài bậc cao
5 ở dòng điện rotor và cảm ứng sang stator. Hạn chế này đƣợc khắc phục bằng cách sử dụng 2 bộ biến đổi 2 chiều (back to back inverter), điều chỉnh dòng điện bằng phƣơng pháp băm xung điện áp (PWM) [13][33][47][58][62] [90][94][96]. Một giải pháp khác là áp dụng các bộ biến tần ma trận trực tiếp (matrix converters-MCs) hoặc gián tiếp (indirect matrix converters -IMCs) [29][67], tuy nhiên hạn chế của các giải pháp này là hiệu suất không cao. 1.1.2 Điều khiển vector không gian Kỹ thuật điều chế vector không gian ban đầu đƣợc nghiên cứu phát triển để điều khiển máy điện dị bộ rotor lồng sóc, sau này đƣợc áp dụng mở rộng cho máy phát dị bộ rotor dây quấn DFIG. Trong kỹ thuật này, dòng điện rotor của DFIG đƣợc tính toán và điều khiển trong hệ trục tọa độ từ thông stator [68], hoặc trong hệ trục tọa độ tựa theo điện áp lƣới [11]. Trong hệ trục tọa độ tựa theo từ thông stator, momen điện từ tỉ lệ với thành phần dòng điện ngang trục, và khi stator của DFIG đƣợc nối với lƣới, công suất phản kháng có thể đƣợc điều khiển thông qua thành phần dòng điện dọc trục. Một số công trình trong nƣớc và quốc tế nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở vector không gian cho máy phát điện tàu thủy là [1][2][6][27], cụ thể: Công trình [69] đã đề cập khả năng ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy với bộ tự điều chỉnh điện áp điều khiển tựa theo từ thông stator. Công trình chủ yếu mang tính tổng quan, nêu cấu trúc chung của hệ thống, chƣa chỉ ra rõ phƣơng pháp điều khiển cụ thể. Công trình [12] đã giải quyết đƣợc vấn đề ổn định tần số và điện áp bằng phƣơng pháp tách kênh trực tiếp và tuyến tính hóa chính xác với bộ điều khiển phản hồi trạng thái. Vì công trình [12] xây dựng mô hình đối tƣợng trên cơ sở tuyến tính hóa nên đáp ứng chất lƣợng của hệ thống điều khiển chƣa cao, tồn tại những dao động tƣơng đối lớn ngay trong cả quá trình quá độ và quá trình xác lập.
6 Công trình [1] đã xây dựng mô hình hệ thống phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở phi tuyến với nguyên lý tựa phẳng. Công trình đã chứng minh đƣợc tính đúng đắn của việc áp dụng nguyên lý tựa phẳng cho hệ thống và chỉ ra đƣợc 2 biến phẳng là công suất tác dụng (hoặc momen) và hệ số công suất cosφ. Công trình mới dừng ở bƣớc đề xuất, chƣa đƣa ra cấu trúc hệ thống điều khiển cụ thể. Tiếp theo công trình [1], công trình [2] đã đƣa ra cấu trúc hệ thống điều khiển cụ thể với bộ điều khiển tỷ lệ tích phân kết hợp với phản hồi tín hiệu feedforward trên cơ sở hệ phẳng để tách kênh các tín hiệu điều khiển. Kết quả thu đƣợc của công trình tƣơng đối tốt, tuy nhiên vẫn tồn tại sóng hài bậc cao ở các thông số điều khiển đầu ra của hệ thống. Ngoài ra, có các công trình nghiên cứu ứng dụng máy điện dị bộ nguồn kép vào hệ thống phát điện sức gió, cụ thể gồm: Công trình [9] đã tổng hợp hệ thống theo các phƣơng pháp tuyến tính và giải quyết đƣợc vấn đề điều khiển tách kênh momen (công suất tác dụng) và công suất phản kháng trên cơ sở phân ly các thành phần ird và irq, các tài liệu [62][71][75] đã bù đƣợc các liên kết chéo để đảm bảo sự phân ly. Tuy nhiên tốc độ máy phát thƣờng xuyên thay đổi, tần số mạch rotor thay đổi theo và điện áp lƣới là điện áp lƣới “mềm”, các giải pháp điều khiển tuyến tính đều coi chúng là biến thiên chậm hay là nhiễu, các công trình [9] [45][62][75] đều thực hiện loại bỏ bằng phƣơng pháp bù đơn giản. Công trình [11] đã cải thiện đƣợc chất lƣợng hệ thống đáng kể khi điều khiển hệ thống trên cơ sở phi tuyến bằng phƣơng pháp cuốn chiếu (backstepping). Tiếp theo, công trình [6] cũng điều khiển hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở phi tuyến tựa theo từ thông thụ động với thuật toán thiết kế tựa theo EL và Hamilton, kết quả của công trình là: với tải đối xứng, hệ thống đáp ứng đƣợc chất lƣợng khi hệ thống làm việc bình thƣờng hoặc xảy ra xập lƣới đối xứng. Để giải quyết điều khiển bám lƣới của hệ
7 thống khi xảy ra lỗi lƣới không đối xứng đã đƣợc [7] nghiên cứu và giải quyết. Đồng thời [7] cũng đã giải quyết vấn đề khắc phục méo điện áp lƣới khi có tải phi tuyến. 1.1.3 Điều khiển trực tiếp momen (direct torque control-DTC) Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen đƣợc ứng dụng rộng rãi trong máy điện dị bộ rotor lồng sóc, sau đó cũng đƣợc áp dụng để điều khiển momen điện từ của máy điện dị bộ rotor dây quấn vì nó có ƣu điểm nổi bật là hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng cao [14][15][18][22][73][74][90]. Hãng ABB đã phát triển bộ biến đổi công suất điều khiển DFIG bằng phƣơng pháp này [92]. 1.1.4 Điều khiển trực tiếp công suất (direct power control-DPC) Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp công suất có kết cấu phần cứng tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp DTC, nó có điểm khác là nghiên cứu ảnh hƣởng của từ thông stator và rotor tới công suất tác dụng và công suất phản kháng của stator DFIG phát lên lƣới. Các nghiên cứu [13][79][85][90] cho thấy: công suất tác dụng tỷ lệ với thành phần từ thông rotor theo hƣớng vuông góc với từ thông stator, công suất phản kháng tỷ lệ với thành phần từ thông rotor theo hƣớng dọc trục với từ thông stator. Trong các cấu trúc điều khiển DFIG làm máy phát điện [27][39] [63][64][72], các cảm biến nhƣ encoder vị trí hay máy phát tốc đều gây nên một số hạn chế nhƣ sau: phải bảo trì, kinh phí cao, phải có cáp kết nối vì vậy, đã có đề xuất về cấu trúc điều khiển DFIG để khắc phục các hạn chế này, đó là cấu trúc điều khiển DFIG không cảm biến (SENSORLESS CONTROL OF DFIG). 1.1.5 Cấu trúc điều khiển DFIG không cảm biến Có một vài phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến nhƣ sau: - Phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến trên cơ sở quan sát thích nghi theo mô hình mẫu (model reference adaptive system observers- MRAS): Đây là phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến đầu tiên đƣợc đề xuất, nghiên cứu [83], và đƣợc ứng dụng trong thực tiễn đầu tiên ở các công trình
8 [36][37], đƣợc nghiên cứu phát triển sâu hơn ở công trình [24][26]. Cơ sở của phƣơng pháp này là quan sát hệ thống dựa trên 2 mô hình [16][25][28][30][34] [40][61][66] [83]: mô hình tham chiếu và mô hình thích nghi, tốc độ và vị trí ƣớc tính của rotor là cơ sở để chỉnh định mô hình thích nghi sao cho sai lệch bằng không. - Phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến vòng hở (Open-Loop Sensorless Methods): đây là phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến mới nhất đƣợc đề xuất. Cơ sở của phƣơng pháp này là so sánh dòng điện rotor ƣớc lƣợng và dòng điện rotor đo đƣợc để xác định vị trí của rotor [17] [20] [32][41][57]. - Các phƣơng pháp điều khiển DFIG không cảm biến khác: Điều khiển DFIG không cảm biến trên cơ sở vòng lặp khóa pha (Sensorless control of DFIGs based on phase-locked loop) [83]. Quan sát vị trí rotor trên cơ sở quan sát momen [31][52][53], quan sát vị trí rotor trên cơ sở quan sát dòng điện rotor [50][51][52][53][65][66]. 1.1.6 Cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than (Brushless- Doubly – Fed Induction Generator- BDFIG) Hạn chế của các hệ thống phát điện sử dụng DFIG là phải có chổi than và vành trƣợt để kết nối giữa rotor của DFIG với mạch của bộ biến đổi công suất. Một cấu trúc đƣợc đề xuất để khắc phục hạn chế này là tổ hợp máy phát điện dị bộ nguồn kép không chổi than, hệ thống này đã đƣợc ứng dụng khả thi trong thực tế [19][21][78][89][96]. Đã có những công trình nghiên cứu kỹ và so sánh chuyên sâu về chất lƣợng điện phát ra giữa BDFIG và DFIG đơn lẻ [38]. Kết quả cho thấy, hệ thống phát điện dùng BDFIG có chất lƣợng điện hòa với lƣới và khả năng bám điện áp lƣới tốt hơn rất nhiều so với DFIG đơn lẻ. Tuy nhiên hệ thống BDFIG có hạn chế là kích thƣớc khá lớn và tổn hao công suất ở rotor lớn hơn so với DFIG đơn lẻ.
9 1.2 Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp, mục tiêu của đề tài Các công trình nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện nói chung phần lớn bằng kỹ thuật điều chế vector không gian. Các nghiên cứu cho thấy, hệ thống có cấu trúc điều khiển rất phức tạp, khả năng bám lƣới và chất lƣợng điện của máy phát phụ thuộc rất nhiều phƣơng pháp điều khiển. Để máy phát có chất lƣợng điện tốt và bám lƣới bền vững thì cấu trúc hệ thống phải bao gồm nhiều khâu chuyển đổi, tính toán và điều khiển phức tạp dẫn tới giá thành hệ thống cao. Ngoài ra, do có sự phản ứng nhanh nhạy và tác động điều chỉnh liên tục của bộ điều khiển nên tín hiệu đầu ra của đối tƣợng điều khiển còn tồn tài sóng hài bậc cao ngay trong cả quá trình xác lập. Đề tài sẽ đề xuất một phƣơng án kỹ thuật mới là phƣơng pháp điều khiển máy phát dị bộ nguồn kép trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, với mục đích là làm đơn giản hóa hệ thống điều khiển máy phát sử dụng DFIG, dẫn tới giảm giá thành hệ thống, nhƣng vẫn đáp ứng đƣợc tốt các yêu cầu nhƣ: điện áp máy phát luôn bám điện áp lƣới khi điện áp lƣới thay đổi hoặc tốc độ lai rotor DFIG thay đổi. Cách ly đƣợc kênh điều khiển công suất tác dụng P với kênh điều khiển công suất phản kháng Q của máy phát lên lƣới. 1.3 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Nội dung của đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện sử dụng DFIG. Trên cơ sở đó, đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng DFIG trong hệ thống phát điện. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài là dựa trên các đặc điểm, tính chất và mô hình toán của DFIG để phân tích, chứng minh và đề xuất mô hình điều khiển DFIG mới hiệu quả cao. Đồng thời, kiểm chứng các kết quả thu đƣợc bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab.
10 CHƢƠNG 2: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG DFIG BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG DẠNG TÍN HIỆU ROTOR 2.1 Các phƣơng trình toán mô tả DFIG 2.1.1 Những giả thiết cơ bản Để viết các phƣơng trình toán học mô tả DFIG, ta giả thiết các điều kiện nhƣ sau [4]: Ba pha đối xứng. Bỏ qua bão hòa từ, dòng fuco và hiện tƣợng từ trễ. Dạng dòng và điện áp là hình sin. Ngoài ra còn có các điều kiện để lựa chọn trục tọa độ DFIG nhằm biến các phƣơng trình máy điện có hệ số phụ thuộc vào góc quay của rotor thành phƣơng trình vi phân có hệ số không đổi là: Mạch rotor và stator của hệ thống biến đổi phải không chuyển động đối với nhau nghĩa là phải có chung hệ tọa độ. Trở kháng của động cơ theo các đƣờng sức từ của vòng biến đổi phải không đổi. Đối với DFIG, điều kiện thứ 2 luôn thỏa mãn cho bất kì hƣớng nào của hệ trục vì khe khí của máy DFIG là nhƣ nhau trên toàn bộ chu vi của rotor. Vì vậy ta chỉ cần quan tâm đến điều kiện thứ nhất, có nghĩa là DFIG có thể chọn trục tọa độ vuông góc nào và quay với tốc độ góc bất kỳ. a) b) Hình 2.1: Sơ đồ đấu dây và chuyển tọa độ của DFIG
11 Trên hình 2.1 các ký hiệu nhƣ sau: -A, B, C là hệ trục không quay stator; -Ar, Br, Cr, là các pha rotor quay với tốc độ góc -d, q là hệ trục vuông góc quay với tốc độ t Ta có : d /dt = ; d t/dt = t Nhƣ vậy các biến số của stator và rotor có thể đƣợc chuyển sang một hệ trục tọa độ có tốc độ quay bất kỳ. 2.1.2 Các phương trình ở hệ trục pha Phƣơng trình tổng quát cho mạch stator và mạch rotor ở hệ trục không chuyển động (hệ trục pha) [4]: usa isa sa d d U u R I R i (2.1) s sb s s dt s s sb dt sb u i sc sc sc ura ira ra d d U u R I R i (2.2) r rb r r dt r r rb dt rb u i rc rc rc Trong đó : usa, usb, usc - điện áp pha của lƣới đặt vào stator; ura, urb, urc - điện áp pha trên vành trƣợt của rotor. Từ thông có thể viết dƣới dạng : sa isa ira s sb Lss isb M sr irb (2.3) i i sc sc rc và ra isa ira r rb M rs isb Lrr irb (2.4) i i rc sc rc Các ma trận [Rs], [Rr], [Lss], [Lrr], [Msr], [Mrs] nhƣ sau:
12 Rs 0 0 Rr 0 0 Rs 0 Rs 0 Rr 0 Rr 0 0 0 R 0 0 R s r Ls M s M s Lr M r M r Lss M s Ls M s Lrr M r Lr M r M M L M M L s s s r r r T M AAr M ABr M ACr T M rs M sr M BAr LBBr M BCr M CAr M CBr M CCr 2 2 T cos cos( ) cos( ) 3 3 2 2 Hay M M T M cos( ) cos cos( ) rs sr m 3 3 2 2 cos( ) cos( ) cos 3 3 Trong đó : Ls, Lr - độ tự cảm của stator và rotor; Ms, Mr ,Mm - độ cảm ứng tƣơng hỗ giữa 2 pha stator, giữa 2 pha rotor và giữa stator và rotor; - góc giữa các trục dây quấn cùng tên của stator và rotor. 2.1.3 Phương trình biến đổi stator và rotor Ma trận biến đổi stator nhƣ sau [4]: 2 2 cos cos( ) c os( ) t t 3 t 3 2 2 2 Apt sin t sin( t ) sin( t ) (2.5) 3 3 3 1 1 1 2 2 2 t là góc hợp bởi giữa trục pha stator A với một trục bất kỳ của một hệ thống vuông góc quay với tốc độ quay t (hình 2.1b). Để có ma trận biến đổi của rotor [Aptr], ta chỉ việc thay t bằng ( t - ). Nhƣ vậy, ma trận biến đổi [Apt] và [Aptr] là 2 ma trận cho phép biến đổi các đại lƣợng ở hệ trục pha sang hệ trục vuông góc quay với tốc độ t trong đó :
13 t t t dt t0 (2.6) 0 t dt 0 (2.7) 0 Ma trận nghịch đảo của các ma trận biến đổi nhƣ sau: cos t sin t 1 2 2 A 1 c os( ) sin( ) 1 (2.8) pt t 3 t 3 2 2 c os( t ) sin( t ) 1 3 3 cos( t ) sin( t ) 1 2 2 A 1 c os( ) sin( ) 1 (2.9) ptr t 3 t 3 2 2 c os( t ) sin( t ) 1 3 3 Vậy các phƣơng trình biến đổi nhƣ sau: ' T T U s u u u A U A u u u sd sq s0 pt s pt sa sb sc (2.10) I ' i i i T A I A i i i T s sd sq s0 pt s pt sa sb sc (2.11) ' T A A T s sd sq s0 pt s pt sa sb sc (2.12) ' T T U r u u u A U A u u u rd rq r0 ptr r ptr ra rb rc (2.13) I ' i i i T A I A i i i T r rd rq r0 ptr r ptr ra rb rc (2.14) ' T T A A (2.15) r rd rq r0 ptr r ptr ra rb rc Để nhận đƣợc phƣơng trình ở hệ trục vuông góc ta nhân vế trái của phƣơng trình [Us] và [Ur] ở hệ trục tọa trục A, B, C với [Apt] và [Aptr] ta đƣợc: ' ' U s Apt U s Apt Rs I s Apt p s Rs I s p Apt s p Apt s ' ' ' (2.16) U s R I p p A s s s pt s ' ' U r Aptr U r Aptr Rr I r Aptr p r Rr I r p Aptr r p Aptr r ' ' ' U r R I r p p A (2.17) r r ptr r
14 Đƣa vào đạo hàm ma trận và biến đổi ma trận, triển khai ra ta có phƣơng trình điện áp stator va rotor ở hệ tọa độ quay dq nhƣ sau: u u u T R i i i T p T T p sd sq s0 s sd sq s0 sd sq s0 sd sq s0 t (2.18) u u u T R i i i T p T 0 T p( ) rd rq r0 r rd rq r0 rd rq r0 rq rd t (2.19) 2.1.4 Phương trình từ thông Sử dụng phƣơng trình biến đổi, có phƣơng trình từ thông ở hệ trục dq nhƣ sau [4]: ' [ s ] [A ][ ] [A ][L ][I ] [A ][M ][I ] pt s pt ss s pt sr r (2.20) [ ' ] [A ][ ] [A ][L ][I ] [A ][M ][I ] r ptr r ptr r r ptr rs s (2.21) Ở đây cần biểu diễn từ thông qua dòng, độ tự cảm và cảm ứng tƣơng hỗ ở hệ trục vuông góc. Để có đƣợc các phƣơng trình này cần sử dụng các ma trận 1 1 nghịch đảo của ma trận biến đổi [Apt ] ,[Aptr ] , ta có: 1 ' [U s ] [Apt ] [U s ] 1 ' [I s ] [Apt ] [I s ] (2.22.a,b,c) [ ] [A ] 1[ ' ] s pt s 1 ' [U r ] [Aptr ] [U r ] 1 ' [I r ] [Aptr ] [I r ] (2.23.a,b,c) 1 ' [ r ] [Aptr ] [ r ] Thay vào phƣơng trình (2.20) và (2.21) có đƣợc: ' ' ' [ ] [A ][L ][ A ] 1[I ] [A ][M ][ A ] 1[I ] (2.24) s pt ss pt s pt sr ptr r ' ' ' [ ] [A ][L ][ A ] 1[I ] [A ][M ][ A ] 1[I ] (2.25) r ptr rr ptr r ptr rs pt s Ở biểu thức (2.24), đứng trƣớc ma trận dòng là ma trận biến đổi tự cảm và cảm ứng tƣơng hỗ: [L ' ] [A ][L ][ A ] 1 ss pt ss pt (2.26) [M ' ] [A ][M ][ A ] 1 sr pt sr ptr (2.27) Kết quả nhân ma trận vế phải (2.26) và (2.27) ta đƣợc:
15 L 0 0 X 0 0 ' 1 [Lss ] 0 L 0 0 X 0 (2.28) 0 0 L s 0 0 X 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ' 3 1 M sr M m 0 1 0 M sr 0 1 0 X sr 0 1 0 (2.29) 2 s 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Trong đó: L Lq Ld (Ls M s ) là hệ số tự cảm của thành phần thuận stator. L0 Ls 2M s là hệ số tự cảm của thành phần zero. M M M 3M / 2 là hệ số cảm ứng tƣơng hỗ 3 pha giữa stator và sr srd srq m rotor. Vậy biểu thức cho từ thông stator đƣợc viết nhƣ sau: ' T T ' L' I M ' I ' L' i i i M ' i i 0 (2.30) s ss s sr r ss sd sq s0 sr rd rq Tổng hợp lại ta có các phƣơng trình của điện áp và từ thông ở stator nhƣ sau: p .p R .i u (2.31) sd sq t s sd sd p .p R i u (2.32) sq sd t s sq sq p R .i u (2.33) s0 s s0 s0 1 sd Ls .isd M sr .ird X s .isd X sr .ird (2.34) s 1 sq Ls.isq M sr.irq X s.isq X sr.irq (2.35) s 1 s0 Ls0.is0 X s0.is0 (2.36) s Tƣơng tự nhƣ trên, ta có biểu thức cho từ thông rotor: ' ' ' ' ' ' T ' T M I L I L i i i [M rs ] i i 0 r rs s rr r rr rd rq r0 sd sq (2.37) Trong đó: 1 0 0 1 0 0 1 0 0 3 1 M ' M 0 1 0 M 0 1 0 X 0 1 0 rs 2 m rs rs 0 0 0 0 0 0 s 0 0 0
16 Lr1 0 0 X r 0 0 ' 1 Lrr 0 Lr1 0 0 X r 0 0 0 L s 0 0 X r0 r0 Trong đó: Xrs = Xrsd = Xrsq = Xsr = ωsMrs = ωsMsr – trở kháng tƣơng hỗ mạch rotor và stator; Lr1=Lr – Mr – độ tự cảm của thành phần thuận của rotor; Lr0=Lr – 2Mr – độ tự cảm của thành phần zero của rotor; Xr=Xrd=Xrq=ωs Lr1 – tổng trở kháng của rotor; X0=ωsLr0 – trở kháng thành phần zero của rotor. Cuối cùng ta có phƣơng trình các thành phần điện áp và từ thông mạch rotor nhƣ sau: p .p( ) R i u (2.38) rd rq t r rd rd p .p( ) R i u (2.39) rq rd t r rq rq p R i u (2.40) r0 r r0 r0 1 rd M rsisd Lr1ird X rird X rsisd (2.41) s 1 rq M srisq Lr1irq X rirq X saisq (2.42) s 1 r0 Lr0ir0 X roir0 (2.43) s 2.1.5 Phương trình momen Phƣơng trình momen ở dạng tổng quát nhƣ sau [3]: Jp2 M M (2.44) 0 Với M và M0 là momen điện từ và momen cản. Biểu thức momen điện từ của DFIG nhƣ sau: 3 M M (i i i i ) (2.45) 2 sr rd sq rq sd Thay vào biểu thức (2.44) ta có : 3 Jp2 M (i i i i ) M (2.46) 2 sr rd sq rq sd 0
17 Vì không dùng dây zero nên is0 0 . Các phƣơng trình điện áp, từ thông stator và rotor trên cho phép biểu diễn quá trình quá độ của máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ trục vuông góc dq quay với những tốc độ khác nhau. Cụ thể khi: p t p s t s : hệ trục dq quay với tốc độ đồng bộ. p p : hệ trục dq quay với tốc độ quay dị bộ của rotor. t p t t : tốc độ quay bất kì, hệ trục dq quay với tốc độ bất kì. p t 0 : hệ trục dq đƣợc gắn vào stator. 2.1.6 Biểu diễn các phương trình của DFIG trên cơ sở vector không gian của đại lượng 3 pha Theo lý thuyết điều khiển vector [10], trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) của máy điện, vector không gian dòng điện stator của máy dị bộ nguồn kép đƣợc định nghĩa nhƣ sau: 2 0 0 i (t) i (t) i (t).e j120 i (t).e j240 i .e j st (2.46) s 3 sa sb sc s Trong đó isa, isb, isc là các dòng điện hình sin, cùng biên độ, cùng tần số, lệch nhau 1200 điện, chạy trong ba pha dây quấn stator A, B, C. Nhƣ vậy i s là vector không gian quay với tốc độ góc s so với stator, với fs là tần số mạch stator. Đối với các đại lƣợng khác của mạch stator, nhƣ điện áp stator, từ thông stator, ta đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng tƣơng tự nhƣ đối với dòng điện stator. Với máy điện dị bộ nguồn kép, trên rotor cũng có cuộn dậy ba pha A, B, C, trong đó có ba dòng điện ira, irb, irc với tần số góc r , vector không gian dòng điện rotor cũng đƣợc định nghĩa nhƣ sau : 0 0 2 j120 j240 j rt ir (t) i (t) i (t).e i (t).e ir .e 3 ra rb rc
18 Vector i r là vector không gian quay với vận tóc góc r so với rotor, vì rotor quay với vận tốc góc so với stator, nên cũng quay với tốc độ s so với stator. Đối với các đại lƣợng khác của mạch rotor, nhƣ điện áp rotor, từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng tự nhƣ đối với dòng điện rotor trên. Hình 2.2: Biểu diễn vector dòng, điện áp, từ thông stator trên hệ tọa độ và dq Trên mặt phẳng cơ học (mặt phẳng cắt ngang của máy điện), ta xây dựng một hệ toạ độ cố định có trục trùng với trục cuộn dây pha A, và một hệ toạ độ quay dq có trục dọc d trùng với vetor điện áp stator u s , nghĩa là hệ toạ độ dq này quay với tốc độ s 2 f s so với stator (hình 2.2). Các thành phần của vector dòng điện stator trên trục toạ độ là is ,is và trên trục toạ độ dq là isd ,isq ta có mối liên hệ giữa các thành phần của dòng điện stator trên các hệ trục toạ độ và các dòng điện pha stator nhƣ sau: i i is isa sa s 1 (2.49) i 0.5( i 3i ) (2.50) i (i 2i ) sb s s s 3 sa sb isc 0.5(is 3is )
19 isd is .cos s is .sin s is isd .cos s isq .sin s (2.51) (2.52) i i .sin i .cos i i .sin i .cos sq s s s s s sd s sq s Các công thức biến đổi cho vector dòng stator ở trên cũng đúng với các vector khác: vector điện áp stator, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor. Các phƣơng trình điện áp stator, rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor: d s u s R i s s s s s dt (2.53.a,b) d r r r r u r Rr i r dt Phƣơng trình từ thông stator và rotor trên hệ thống cuộn dây stator, rotor: i .L i .L s s s r m (2.54.a,b) i .L i .L r s m r r Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên các giá trị điện cảm là bất biến đổi với mọi hệ toạ độ quan sát. Do đó công thức (2.54) đƣợc dùng một cách tổng quát, không cần có các chỉ số phía trên bên phải, khi sử dụng trên hệ toạ độ cụ thể sẽ điền thêm chỉ số. Sau khi chuyển (2.53), (2.54) sang biểu diễn trên hệ toạ độ dq là hệ toạ độ quay với vận tốc góc s so với hệ toạ độ cố định, ta thu đƣợc hệ phƣơng trình sau: d( f ) u f R .i f s j. . f s s s dt s s d( f ) f f r f u R .i r j. . (2.55.a,b,c,d) r r dt r r f i f .L i f .L s s s r m f i f .L i f .L r s m r r Với s r Chỉ số phía trên bên phải “f” để chỉ hệ toạ độ quay dq.
20 2.2 Các cấu trúc ghép nối DFIG ứng dụng trong hệ thống phát điện Hệ thống phát điện sử dụng tổ hợp ghép nối 2 DFIG đã đƣợc đề xuất ở những năm cuối thế kỷ 20. So với hệ thống phát điện sử dụng DFIG đơn lẻ, hệ thống phát điện sử dụng tổ hợp ghép nối 2 DFIG có những ƣu điểm nổi bật nhƣ: chất lƣợng điện phát ra cao hơn, khả năng bám điện áp lƣới tốt hơn, đối tƣợng điều khiển dễ hơn. Hệ thống phát điện sử dụng tổ hợp ghép nối 2 DFIG có cấu trúc điều khiển đơn giản do trong kết cấu tự nhiên của hệ thống ghép nối DFIG, các tính chất của quá trình chuyển hóa cơ-điện và chuyển hóa điện-cơ của 2 DFIG đƣợc thuận nghịch với nhau, triệt tiêu và giảm đƣợc phần lớn các thành phần phải điều khiển phức tạp. Cấu trúc ghép nối DFIG đầu tiên đƣợc đề xuất là cấu trúc ghép nối với bộ biến đổi công suất nằm ở phía stator hay còn gọi là cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than. Giải pháp này đã đƣợc nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong thực tế và đã đƣợc thƣơng mại hóa với sản phẩm tổ hợp ghép nối 2 DFIG trong cùng một khung máy. Cấu trúc ghép nối DFIG thứ 2 là cấu trúc với bộ biến đổi công suất nằm ở phía rotor hay còn gọi là cấu trúc điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, cấu trúc này đƣợc đề xuất và báo cáo ở các công trình [87][88]. Sau đây tác giả trình bầy và phân tích tính chất của 2 giải pháp ghép nối DFIG ứng dụng trong hệ thống phát điện. Cụ thể, cấu trúc ghép nối với bộ biến đổi công suất nằm ở phía stator (cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than) là cấu trúc đã đƣợc đề xuất và có nhiều kết quả công bố trong các công trình nghiên cứu trƣớc đây, vì vậy tác giả chỉ trình bầy mang tính chất khái quát, còn cấu trúc với bộ biến đổi công suất nằm ở phía rotor (cấu trúc điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor) là cấu trúc mới, do tác giả đề xuất, vì vậy tác giả sẽ trình bầy chuyên sâu và chi tiết hơn.
21 2.2.1 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG không chổi than 2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu trúc ghép nối của hệ thống đƣợc mô tả đơn giản hóa ở hình 2.3: Hình 2.3: Cấu trúc ghép nối DFIG với bộ biến đổi công suất ở phía stator [97] Hệ thống gồm 2 DFIG có rotor đƣợc ghép nối cứng trục với nhau về mặt cơ khí, đồng thời các cuộn dây rotor cũng đƣơc đấu nối trực tiếp với nhau về điện. Các thiết bị điều khiển công suất đƣợc đặt ở phía stator của DFIG1, còn DFIG2 có mạch stator đƣợc nối và hòa trực tiếp với lƣới điện. Đặc điểm tự nhiên của hệ thống là khả năng đồng bộ giữa điện áp phát ra của DFIG2 và điện áp lƣới là rất cao và rất bền vững [59], đồng thời chất lƣợng điện phát ra tốt hơn nhiều so với hệ thống phát điện sử dụng DFIG đơn lẻ [38]. Vì vậy, hệ thống này đang đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các máy phát điện hòa với lƣới. Ngày nay, hệ thống này đã đƣợc một số cơ sở nghiên cứu và cơ sở sản xuất trên thế giới tích hợp 2 DFIG trên cùng một khung máy, sơ đồ một máy điện tích hợp 2 DFIG đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.4:
22 Hình 2.4: Máy điện dị bộ nguồn kép không chổi than [97] Trong hình 2.4, stator của DFIG1 có số cặp cực q1=2, stator của DFIG2 có số cặp cực q2=1. Cuộn dây ở rotor của 2 DFIG đƣợc nối trực tiếp bên trong với nhau, vì vậy hệ thống này không cần vành góp và chổi than nhƣ hệ thống điều khiển DFIG đơn lẻ, do vậy hệ thống này còn gọi là hệ thống máy điện dị bộ nguồn kép không chổi than (Brushless Doubly Fed Induction Generator- BDFIG), kỹ thuật chế tạo BDFIG đã đƣợc nghiên cứu và trình bầy chi tiết trong công trình [54]. Vì số cặp cực của DFIG1 và DFIG2 có thể bằng nhau hoặc khác nhau, đấu nối giữa 2 cuộn dây rotor có 2 cách là đấu trùng pha hoặc đấu đảo pha, nên có 4 trƣờng hợp để tích hợp lên máy điện BDFIG đƣợc thống kê ở bảng 2.1 [59][49]: Bảng 2.1: Các trƣờng hợp của máy điện dị bộ nguồn kép không chổi than Đấu nối 2 rotor q1= q2=q Tốc độ đồng bộ Ps1 (pu) Ps2 (pu) Pg=Ps1 +Ps2 Trùng pha có Không sản xuất q.ɷ / ɷ g -q.ɷ / ɷ g 0 Trùng pha không -ɷ g/ ∆q q1.ɷ / ɷ g -q2.ɷ / ɷ g ∆q.ɷ / ɷ g Đảo pha có ɷ g/ 2q -q.ɷ / ɷ g -q.ɷ / ɷ g -2q.ɷ / ɷ g Đảo pha không ɷ g/ ∑q -q1.ɷ / ɷ g -q2.ɷ / ɷ g -∑q.ɷ / ɷ g
23 Với q1, q2 là số cặp cực của DFIG1, DFIG2; Tốc độ đồng bộ là tốc độ quay của rotor mà tại đó điện áp ở stator của DFIG1 là điện áp một chiều; Ps1, Ps2 và Pg là công suất tác dụng ở stator của DFIG1, DFIG2 và của lƣới điện; là tốc độ góc của rotor; g là tần số góc của điện áp lƣới. Nguyên lý hoạt động của BDFIG đƣợc thể hiện ở hình 2.5 với DFIG1 và DFIG2 lần lƣợt có tần số điện áp ở stator fs1, fs2; tần số góc điện áp stator s1, s2 ; tần số góc của từ thông stator s1 / q1 , s2 / q2 ; tần số góc điện áp rotor r1, r2 . Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của BDFIG [54] 2.2.1.2 Phân tích các dòng năng lượng trong hệ thống Xét trƣờng hợp loại BDFIG có số cặp cực khác nhau, đấu nối dây ở rotor theo cách đảo pha. Vì DFIG2 đƣợc nối trực tiếp với lƣới nên tần số góc của điện áp stator bằng tần số góc của điện áp lƣới s2 g . Tần số góc điện áp stator của DFIG1 là [97]: (q q ). (2.56) s1 1 2 s2 Tần số góc điện áp rotor của DFIG2 và DFIG1 lần lƣợt là: q . (2.57) r 2 s2 2 q . (2.58) r1 1 s2 Công suất ở stator của DFIG1 và DFIG2 là [59]: q . P 1 .P (2.59) s1 g g q . P 2 .P (2.60) s2 g g
24 Công suất ở rotor của DFIG1 và DFIG2 là [97]: P P r1 r1 s1 (2.61) s1 P P r2 (2.62) r2 s2 s2 Vì 2 rotor của DFIG1 và DFIG2 đƣợc nối kín mạch nên Pr1+Pr2=0, hay Pr1=-Pr2. Công suất BDFIG phát lên lƣới điện là Pg: P P P (2.63) g s1 s2 Từ các công thức (2.59) (2.60) (2.61) (2.62) ta có mối liên hệ công suất giữa stator của DFIG1 và DFIG2 nhƣ sau: s1 Ps1 Ps2 (2.64) s2 Công thức (2.64) cũng là công thức thể hiện mối liên hệ giữa công suất thiết bị điều khiển và công suất của DFIG2 phát lên lƣới. Trong thực tế, còn có tổn thất công suất ở stator và rotor của DFIG1 và DFIG2, giản đồ dòng năng lƣợng đƣợc thể hiện ở hình 2.6 [59][97]: Hình 2.6: Giản đồ dòng năng lƣợng trong BDFIG
25 Theo giản đồ năng lƣợng, DFIG2 luôn phát công suất tác dụng, còn DFIG1 phát công suất tác dụng ở chế độ dƣới đồng bộ và hấp thụ công suất tác dụng ở chế trên đồng bộ. Trên đây là giản đồ năng lƣợng trong trƣờng hợp đấu đảo pha ở rotor. Khi đấu không đảo pha ở rotor thì dòng năng lƣợng qua DFIG1 sẽ theo chiều ngƣợc lại, tức là DFIG1 phát công suất tác dụng ở chế độ trên đồng bộ và hấp thu công suất tác dụng ở chế dƣới đồng bộ. Đã có những công trình nghiên cứu kỹ và so sánh chuyên sâu về chất lƣợng điện phát ra giữa BDFIG và DFIG đơn lẻ [38], kết quả cho thấy hệ thống phát điện dùng BDFIG có chất lƣợng điện hòa với lƣới và khả năng bám điện áp lƣới tốt hơn nhiều so với DFIG hoạt động độc lập. Tuy nhiên hệ thống BDFIG có hạn chế là kích thƣớc khá lớn và tổn hao công suất ở rotor lớn hơn so với DFIG đơn lẻ. Vì vậy, tác giả đề xuất một giải pháp ghép nối DFIG khác là giải pháp ghép với bộ biến đổi công suất ở phía rotor (cấu trúc điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor), giải pháp này có kích thƣớc giảm và tổn hao công suất ở rotor giảm so với giải pháp bộ biến đổi công suất nằm ở stator. 2.2.2 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đƣợc thể hiện ở hình 2.7. Hình 2.7: Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor
26 Hệ thống gồm: 2 máy điện dị bộ nguồn kép DFIG1 và DFIG2 có số cặp cực bằng nhau q1=q2=q, các khâu xử lý tín hiệu và mạch điều khiển dòng điện. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhƣ sau: DFIG1 có stator đƣợc nối trực tiếp với lƣới điện nên tần số góc điện áp stator DFIG1 bằng với tần số góc của điện áp lƣới: . s1 s1 g Tần số góc của điện áp rotor DFIG1 là r1 s1 q. , tần số này đƣợc giữ nguyên qua các khâu xử lý tín hiệu và khâu điều khiển dòng điện, nên mạch điện rotor của DFIG2 có tần số góc là: r 2 r1 ( s1 q. ) . Tần số góc điện áp stator DFIG2 là: s2 q. r2 q. ( s1 q. ) s1 g Vậy tần số góc điện áp stator của DFIG2 s2 luôn bằng với tần số góc của điện lƣới g và hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor . Với tính chất tự nhiên này, hệ thống có khả năng bám điện áp lƣới rất tốt và bền vững. Trong cấu trúc hệ thống, DFIG1 không có chức năng phát công suất lên lƣới mà chỉ có chức năng tạo các tín hiệu đồng dạng ở rotor, làm các tín hiệu đầu vào cho các khâu xử lý tín hiệu. Vì vậy, có thể lựa chọn DFIG1 là loại DFIG có kích thƣớc và công suất nhỏ để giảm tổn thất công suất, giảm giá thành và giảm kích thƣớc của hệ thống. Các tín hiệu ở các khâu của cấu trúc này đều là các tín hiệu đồng dạng với tín hiệu điện áp cảm ứng ở rotor của DFIG1. Do vậy, phƣơng pháp điều khiển DFIG theo cấu trúc này còn gọi là phƣơng pháp điều khiển trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. Ƣu điểm đầu tiên của cấu trúc này nhƣ đã thấy là tần số điện áp của máy phát luôn trùng với tần số của điện áp lƣới, và không phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor, vì vậy cấu trúc này rất phù hợp ứng dụng trong máy phát đồng trục trên tầu thủy và hệ thống phát điện sức gió trong điều kiện tốc độ bị thay đổi. Các vấn đề còn lại là: giải quyết vấn đề trùng pha, trùng biên độ giữa điện áp máy phát với điện áp lƣới trƣớc khi hòa đồng bộ với lƣới; và điều khiển các
27 thành phần công suất của máy phát đƣa lên lƣới sau khi hòa đồng bộ với lƣới. Các vấn đề này sẽ đƣợc làm rõ ở khi ta phân tích mô hình toán của cấu trúc ghép nối này ứng dụng trong hệ thống phát điện. 2.3 Mô hình toán hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng tín hiệu rotor 2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Kết cấu của hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đƣợc thể hiện đơn giản hóa ở hình 2.8. Hình 2.8: Cấu trúc hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor Hệ thống gồm: Cơ năng lấy từ hộp số ME có trục đƣợc nối với DFIG1 và DFIG2. DFIG1: là máy điện dị bộ nguồn kép công suất nhỏ có tác dụng tạo tín hiệu suất điện động cảm ứng đồng dạng ở rotor. Khâu đồng dạng và cách ly: là mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán với trở kháng đầu vào vô cùng lớn. Mạch điều khiển dòng điện, điện áp rotor cho DFIG2 DFIG2: là máy phát dị bộ nguồn kép có tác dụng phát ra điện áp hòa với lƣới điện.
28 DFIG1 và DFIG2 có số cặp cực bằng nhau, đƣợc nối cứng trục với nhau sao cho tọa độ dây quấn ở rotor và stator của 2 máy trùng với nhau. Vì trong hệ thống có 2 DFIG, nên các đại lƣợng và thông số của các DFIG đƣợc ký hiệu để phân biệt nhƣ sau: chỉ số 1 cho DFIG1, chỉ số 2 cho 1 2 DFIG2, ví dụ: R là điện trở của DFIG1, L là điện cảm của DFIG2. 2 Theo mục 2.2.2, tần số góc của điện áp stator DFIG2 là s luôn bằng với tần số góc của điện áp lƣới g và hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor , vậy tần số của điện áp và dòng điện của máy phát lên lƣới luôn bằng với tần số điện áp lƣới. Với tính chất tự nhiên này, hệ thống có khả năng bám điện áp lƣới rất tốt và bền vững. 2.3.2 Mô hình toán DFIG1 và DFIG2 Phƣơng trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ tựa theo điện áp lƣới, ứng dụng cho DFIG1 có hệ phƣơng trình sau: d(1 f ) 1u f 1R .1i f s j. .1 f s s s dt s s d(1 f ) 1 f 1 1 f r 1 f u r Rr . i r j. r . (2.65.a,b,c,d) dt r 1 f 1i f .1L 1i f .1L s s s r m 1 f 1i f .1L 1i f .1L r s m r r Vì điện trở của khâu đồng dạng và cách ly lớn, nên rotor của DFIG1 gần 1 f nhƣ hở mạch, nên ir 0 , thay vào phƣơng trình (2.65c) và (2.65d), có từ thông stator và rotor của DFIG1 nhƣ sau: 1 f 1 f 1 i s . Ls s (2.66.a,b) 1 f 1i f .1L r s m Thay 1i f 0 và các phƣơng trình từ thông (2.66.a,b) vào phƣơng trình r (2.65a) và (2.65b), có phƣơng trình điện áp ở stator và rotor DFIG1 nhƣ sau:
29 1 f 1 f 1 1 f 1 d( i s ) 1 1 f u s Rs . i s Ls . j. s . Ls . i s dt (2.67.a,b) 1 f 1 f 1 d( i s ) 1 1 f u r Lm j. r . Lm . i s dt Tƣơng tự, tập hợp hệ phƣơng trình mô tả máy điện dị bộ nguồn kép trên hệ tọa độ quay theo vector điện áp lƣới, áp dụng cho DFIG2, có hệ phƣơng trình sau: d(2 f ) 2 u f 2R .2 i f s j. .2 f s s s dt s s d(2 f ) 2 u f 2R .2 i f r j. .2 f (2.68.a,b,c,d) r r r dt r r 2 f 2 i f .2 L 2 i f .2 L s s s r m 2 f 2 i f .2 L 2 i f .2 L r s m r r Để có kết quả mô hình toán thuận lợi cho quá trình điều khiển, cần phải xét hệ thống ở chế độ trƣớc và sau khi hòa đồng bộ với lƣới. 2.3.3 Mô hình hệ thống khi DFIG2 chưa hòa với lưới điện DFIG2 chƣa nối với lƣới điện, tức là chƣa có dòng điện phát ra ở stator 2 f 2 f 2 f 2 f của DFIG2 hay i s 0 ,và dòng điện rotor lúc này là i r i r0 , thay i s 0 và 2 f 2 f i r i r0 vào phƣơng trình (2.68c) và (2.68d), nhận đƣợc từ thông stator và rotor nhƣ sau: 2 f 2 f 2 i r0. Lm s (2.69.a,b) 2 f 2 i f .2 L r r0 r Thay các giá trị từ thông vào phƣơng trình (2.68a) và (2.68b), có phƣơng trình điện áp của stator và rotor của DFIG2 nhƣ sau: 2 f 2 f 2 d( i r0 ) 2 2 f u s Lm . j. s . Lm . i r0 dt (2.70.a,b) 2 f 2 f 2 2 f 2 d( i r0 ) 2 2 f u r Rr . i r0 Lr . j. r . Lr . i r0 dt Điện áp ra rotor của DFIG1 (ở phƣơng trình 2.65b), qua khâu đồng dạng và cách ly, tạo điện áp là u f nhƣ sau: ss
30 1 f f 1 f 1 d( i s ) 1 1 f u ss Gss . u r Gss .( Lm . j. r . Lm . i s ) (2.71) dt 2 2 f Ở khâu điều chế điện áp rotor DFIG2, bù thêm thành phần Rr . i r0 , vậy điện áp đƣa vào rotor của DFIG2 là: 1 f 2 f 1 f 2 2 f 2 2 f 1 d( i s ) 1 1 f u r u ss Rr . i r0 Rr . i r0 Gss ( Lm j. r . Lm . i s ) (2.72) dt So sánh với phƣơng trình điện áp rotor của DFIG2 ở phƣơng trình (2.70b) có: 1 f 2 f 2 2 f 1 d( i s ) 1 1 f 2 2 f 2 d( i r0 ) 2 2 f Rr . i r0 Gss ( Lm . j. r . Lm . i s ) Rr . i r0 Lr . j. r . Lr . i r0 dt dt => 2 i f K .1 i f (với K G .1L / 2L ) (2.73) r0 12 s 12 ss m r 2 f 1 f Thay i r0 K12 . i s vào phƣơng trình điện áp stator của DFIG2 (2.70a) nhận đƣợc: 1 f 2 f 2 d( i s ) 2 1 f u s K12 ( Lm. j. s . Lm. i s ) (2.74) dt Nghiên cứu lại phƣơng trình (2.65a) là phƣơng trình điện áp stator của 1 f 1 f 1 1 f 1 d( i s ) 1 1 f DFIG1: u s Rs . i s Ls . j. s . Ls . i s (2.65.a) dt Ta có nhận xét nhƣ sau: 1 f u s là điện áp của lƣới điện. DFIG1 có rotor hở mạch nên không có từ trƣờng phần ứng, không có phản ứng phần ứng và tất cả các đại lƣợng và thông số trong phƣơng trình (2.65a) đều là không đổi, nên độ lệch pha của thành phần điện áp 1 f 1 f 1 d( i s ) 1 1 f u sl Ls . j. s . Ls . i s so với điện áp của lƣới dt 1 f 1 f 1 1 f 1 d( i s ) 1 1 f u s Rs . i s Ls . j. s . Ls . i s là không đổi. dt
31 d(1i f ) So sánh thành phần điện áp 1u f 1L . s j. .1L .1i f với điện áp đầu ra sl s dt s s s 1 f 2 f 2 d( i s ) 2 1 f của của DFIG2: u s K12 ( Lm . j. s . Lm . i s ) ta thấy dt 2 f 1 f 2 1 2 f 1 f u s / u sl K12. Lm / Ls const , vậy u s trùng pha với thành phần u sl . Tới đây, ta có các kết quả quan trọng của hệ thống phát điện khi chƣa hòa với lƣới nhƣ sau: Điện áp đầu ra của máy phát luôn lệch pha so với điện áp lƣới một góc α=const rất nhỏ và hoàn toàn không phụ thuộc vào tốc độ lai của máy chính. Vì độ lệch pha với góc α là cố định, nên để giải quyết việc triệt tiêu góc lệch pha này, ta chỉ cần xoay lệch trục DFIG1 và DFIG2 một góc α để bù lại sự 1 1 f lệch pha, hoặc độ lệch pha này rất nhỏ (do thành phần Rs . i s rất nhỏ so với điện áp lƣới), nên có thể bỏ qua không cần hiệu chỉnh. Biên độ điện áp đầu ra của máy phát có thể điều chỉnh hoàn toàn tuyến tính thông qua điều chỉnh giá trị Gss. Giả thiết để biên độ đầu ra của máy phát trùng với biên độ điện áp lƣới, ta phải chỉnh giá trị Gss = G0. Có thể tìm G0 từ hệ phƣơng trình: 2 u f / 1u f K .2 L /1L 1 s sl 12 m s (2.75) K G .1L / 2L 12 ss m r Từ hệ phƣơng 2.75, tính đƣợc G0 nhƣ sau: G K .2L /1L (1L .2L )/(1L .2L ) (2.76) 0 12 r m s r m m Nhƣ vậy có thể kết luận: trong trƣờng hợp máy phát chƣa nối với lƣới, để điện áp đầu ra của máy phát trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số với lƣới ta thực hiện các khâu hiệu chỉnh và điều chỉnh sau: Giải quyết vấn đề trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lƣới điện: ta thấy luôn đƣợc thỏa mãn (theo phần 2.2.2). Giải quyết vấn đề về trùng pha giữa điện áp máy phát và điện áp lƣới: ta xoay lệch trục không gian giữa DFIG1và DFIG2 một góc α để bù lại phần lệch pha, hoặc độ lệch này rất nhỏ có thể bỏ qua không cần hiệu chỉnh.
32 Giải quyết vấn đề về trùng biên độ giữa điện áp máy phát với điện áp lƣới ta thực hiện 2 khâu hiệu chỉnh: . Bù thành phần điện áp 2 R .2 i f của rotor DFIG2 để có mối quan hệ điện áp r r0 stator giữa DFIG1và DFIG2 là tỉ lệ. . Chỉnh hệ số khuếch đại GSS ở khâu đồng dạng và cách ly để điều chỉnh biên độ điện áp đầu ra của máy phát bằng biên độ của điện áp lƣới. Thấy rằng, ba khâu hiệu chỉnh trên đều không đổi, sau khi thiết kế các mạch hiệu chỉnh ở chế độ trƣớc khi hòa đồng bộ, ta sẽ giữ nguyên trong chế độ hòa đồng bộ. Cuối cùng, ta có mô hình hệ thống khi chƣa hòa với lƣới đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.9: Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor với mạch nghịch lƣu nguồn áp khi chƣa hòa lƣới 2 f Trong mô hình trên có khâu tạo dòng i r0 , cần phân tích cấu tạo của khâu này. 1 r Vì rotor của DFIG1 hở mạch, nên không có dòng chạy qua (hay ir =0), nên phƣơng trình điện áp rotor DFIG1 trên tọa độ cuộn dây rotor nhƣ sau: 1 r d( ) d(1i r ) 1u r 1R .1i r r 1L . s (2.77) r r r dt m dt
33 1 r 2 r 1 r 2 r Từ phƣơng trình (2.73), ta có i s ir0 / K12 , thay i s i r0 / K12 vào phƣơng trình (2.77) có: K 2 ir 12 (1u r )dt (2.78) r0 1L r m 1 2 Từ phƣơng trình (2.75b) ta có K12 GSS . Lm / Lr , thay vào phƣơng trình (2.78) ta có: 1 1 2 i r (K .1u r )dt (u r )dt (2.79) r0 2 L ss r 2 L ss r r 2 f Vậy có đƣợc khâu tạo dòng i r0 nhƣ sau: 2 f Hình 2.10: Sơ đồ khối khâu tạo ir0 Trên đây là mô hình hệ thống hệ phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor với mạch áp. Tuy nhiên, hệ thống với mạch áp sẽ gây một số khó khăn trong quá trình tính toán điều khiển hệ thống sau này, vì vậy dựa vào mô hình hệ thống trên, ta xây dựng mô hình trên cở sở mạch theo dòng nhƣ hình 2.11: Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor với mạch khi chƣa hòa lƣới
34 Các thành phần dòng điện rotor: Phƣơng trình điện áp stator của DFIG2 trên tọa độ cuộn dây stator (bỏ d(2 s ) 2 s s qua thành phần điện áp rơi trên điện trở) là u s hoặc: dt 2 u s j. .2 s (2.80) s s s Phƣơng trình (2.80) cho thấy từ thông stator luôn chậm pha so với điện áp stator một góc khoảng 900, và thành phần dòng 2 i f là thành phần tạo ra từ thông r0 chính sinh ra điện áp ở stator, nên trùng pha với từ thông chính, hay chậm pha so với điện áp stator một góc 900, vậy pha của ( 2 i f ) chính là pha của dòng r0 2 điện rotor ngang trục tựa theo vector điện áp lƣới ( irq ), và pha của dòng điện 2 rotor dọc trục tựa theo vector điện áp lƣới ird sẽ chính là pha của trừ đi 2 f góc π/2, hay là pha của i r0 cộng một góc π/2. Vậy trong tọa độ tựa theo điện áp lƣới, thành phần dòng điện đơn vị dọc 2 trục của rotor ( ird0 ) có thể đƣợc tạo ra bằng cách cộng thêm pha của một 2 góc π/2. Thành phần dòng điện đơn vị ngang trục của rotor ( irq0 ) có thể đƣợc tạo ra bằng cách đảo pha . Quá trình tạo các thành phần dòng điện đơn vị dọc trục và ngang đƣợc thể hiện ở đồ thị vector hình 2.12. Hình 2.12: Đồ thị vector quá trình tạo các thành phần dòng điện rotor DFIG2 Do không đổi nên các thành phần dòng điện đơn vị và cũng không đổi. Vì vậy, ngay sau các tín hiệu thành phần dòng điện đơn vị , ,
35 nếu thiết lập thêm các khâu khuếch đại, ta có thể điều khiển đƣợc độ lớn của các thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục của rotor DFIG2. 2.3.4 Mô hình hệ thống sau khi DFIG2 hòa với lưới điện 2 f Giả sử yêu cầu của máy phát là phải phát ra lƣới điện dòng điện tải là i s , 2 f 2 f 2 f 2 f ta phải điều chỉnh dòng rotor có giá trị nhƣ sau: ir ir0 irt , với ir0 là thành phần dòng điện rotor ở chế độ không tải đã đƣợc điều chế cố định ở phần 2.3.3. 2 i f Nhƣ vậy ta phải điều chế thành phần dòng rotor bổ sung rt để stator của máy phát bơm ra lƣới điện dòng mà vẫn đảm bảo điện áp ra các cực stator của máy phát trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp lƣới. Thay 2 i f 2 i f 2 i f và vào phƣơng trình (2.68c), nhận đƣợc từ r r0 rt thông stator DFIG2 nhƣ sau: 2 f 2 i f .2L (2 i f 2 i f ).2L (2.81) s s s r0 rt m Thay từ thông stator 2 f vào phƣơng trình (2.68a), điện áp đầu ra stator s DFIG2 nhƣ sau: d(2 i f ) d(2 i f ) d(2 i f ) 2 u f 2R .2 i f 2L . s 2L . r0 2L . rt j. .2 i f .2 L j. .2 i f .2 L j. .2 i f .2 L (2.82) s s s s dt m dt m dt s s s s r0 m s rt m 2 Vì điện áp rơi trên điện trở stator Rs có thể bỏ qua đƣợc so với tổng điện áp rơi trên các thành phần còn lại nên: d(2 i f ) d(2 i f ) d(2 i f ) 2 u f 2L . s 2L . r0 2L . rt j. .2 i f .2L j. .2 i f .2L j. .2 i f .2L (2.83) s s dt m dt m dt s s s s r0 m s rt m Vì DFIG2 nối với lƣới, nên điện áp ra stator DFIG2 luôn bằng điện áp lƣới và không đổi. Do vậy, so sánh phƣơng trình (2.83) với phƣơng trình (2.70b) có đƣợc: d(2 i f ) 2 u f 2L . r0 j. .2 i f .2 L s m dt s r0 m d(2 i f ) d(2 i f ) d(2 i f ) 2 L . s 2L . r0 2L . rt j. .2 i f .2 L j. .2 i f .2 L j. .2 i f .2 L s dt m dt m dt s s s s r0 m s rt m Cân bằng phƣơng trình ta có: 2 i f (2L / 2L ).2 i f (2.84) rt s m s
36 Viết lại phƣơng trình (2.84) theo các thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục ta có: 2 2 2 2 isd ( Lm / Ls ) irtd 2 2 2 2 (2.85.a,b) isq ( Lm / Lm ) irtq Vấn đề về công suất: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát DFIG2 là: P 3.2U .2I .cos s s (2.86.a,b) Q 3.2U .2I .sin s s 2 2 Với Us, Is là điện áp và cƣờng độ dòng điện hiệu dụng một pha của máy phát, φ là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện trên một pha của máy phát. Biểu diễn vector điện áp và dòng điện stator của máy phát trên tọa độ tựa 2 f 2 f 2 f theo điện áp lƣới dq quay với vận tốc góc s là u s và i s , góc lệch pha giữa u s 2 f 2 f 2 f và i s vẫn là φ (hình 2.13), độ dài của vector và (ký hiệu là | u s |và | i s | ) chính là biên độ của điện áp và dòng điện nên ta có: |2 u f | 2U . 2; |2 i f | 2I . 2 (2.87) s s s s Hình 2.13: Vector dòng điện và điện áp stator DFIG2 trên tọa độ tựa theo điện áp lƣới Từ hình 2.13 có: 2 2 f usd | u s | 2i |2 i f | .cos (2.88.a,b,c) sd s 2 2 f isq | is | .sin
37 Thay các phƣơng trình (2.88.a,b,c) và các phƣơng trình (2.87) vào các phƣơng trình (2.86.a,b) có: P (3/ 2).2 u .2 i sd sd (2.89.a,b) Q (3/ 2).2 u .2 i sd sq 2 2 Thay isd ở phƣơng trình (2.85a) và isq ở phƣơng trình (2.85b) vào các phƣơng trình (2.89.a,b) có: P (3/ 2).2 u .2 i .( 2L / 2L ) sd rtd m s (2.90.a,b) Q (3/ 2).2 u .2 i .( 2L / 2L ) sd rtq m s Theo phần 2.3.3, các thành phần dòng điện đơn vị dọc trục và ngang trục 2 2 của rotor DFIG2 ( ird0 , irq0 ) là không đổi, và có thể điều khiển độ lớn dòng điện 2 2 dọc trục irtd và ngang trục irtq bằng cách thay đổi các hệ số khuếch đại (đặt ngay sau các tín hiệu , ), nên ta có: 2i G .2 i rtd P rd 0 (2.91.a,b) 2i G .2 i rtq Q rq0 2 2 Thay irtd và irtq để tính P và Q có: P (3/ 2).(G .2 i ).2 u .( 2L / 2L ) G .X P rd0 sd m s P (2.92.a,b) Q (3/ 2).(G .2 i ).2 u .( 2L / 2L ) G .Y Q rq0 sd m s Q Với X, Y là các thành phần không đổi vì trong tọa độ quay theo điện áp 2 2 2 lƣới, các thành phần usd,, i rd00 i rq đều không đổi. Vậy để điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát bơm ra lƣới điện ta chỉ cần phải điều chỉnh hệ số GP, điều chỉnh công suất phản kháng Q của máy phát bơm ra lƣới điện ta chỉ cần phải điều chỉnh hệ số GQ. Sơ đồ khối mô hình tổng thể của hệ thống với mạch nghịch lƣu nguồn dòng thể hiện ở hình 2.14:
38 Hình 2.14: Sơ đồ khối mô hình hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor khi hòa lƣới Thấy rằng các thành phần công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q tỉ lệ với các hệ số GP và GQ. Nhƣ vậy, có thể điều chỉnh dễ dàng các thành phần công suất của máy phát bơm ra lƣới bằng cách thay đổi các hệ số GP và GQ. Tuy nhiên, để điều chỉnh GP và GQ cần phải thực hiện qua thiết bị điều khiển. 2.3.5 Các ưu điểm của cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật động dạng tín hiệu rotor Phƣơng pháp điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đã đáp ứng đƣợc rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lƣới điện. Trong quá trình khảo sát cho thấy tín hiệu điện áp đồng dạng sẽ phản ứng tự nhiên tức thời khi điện áp lƣới hoặc tốc độ rotor thay đổi. Vì vậy, phƣơng pháp điều khiển DFIG dựa trên tín hiệu đồng dạng rotor sẽ cho kết quả điện áp đầu ra luôn bám theo điện áp lƣới ngay cả khi điện áp lƣới thay đổi hay tốc độ rotor của DFIG thay đổi. Do đó, mô hình này rất phù hợp ứng dụng trong máy phát tốc độ thay đổi để hòa với lƣới điện
39 Mô hình có các khâu điều khiển các thành phần công suất cung cấp ra lƣới điện rất đơn giản và hiệu quả: thành phần công suất tác dụng P tỷ lệ với hệ số GP, thành phần công suất phản kháng Q tỷ lệ thuận với hệ số GQ. Vì vậy, việc thiết kế bộ điều khiển các thành phần công suất sau này sẽ rất đơn giản. Bộ điều khiển trong hệ thống không phải tính toán nhiều nên không cần chọn chip điều khiển cấu hình cao, dẫn đến hạ giá thành bộ điều khiển của hệ thống. Các mạch trong hệ thống đều là các mạch liên tục nên kết quả điện áp ra của máy phát hoàn toàn liên tục và sẽ có dạng sin chuẩn. Nhận xét và kết luận chƣơng 2 Trong chƣơng 2, tác giả đã đề xuất và chứng minh mô hình hệ thống phát điện sử dụng DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor bằng các mô hình toán. Bƣớc đầu chỉ ra các ƣu điểm của mô hình đề xuất nhƣ: Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đáp ứng đƣợc rất tốt các vấn đề trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số giữa điện áp ra của máy phát với điện áp của lƣới điện ngay cả khi điện áp lƣới hay tốc độ rotor của DFIG thay đổi. Mô hình có các khâu điều khiển các thành phần công suất cung cấp ra lƣới điện rất đơn giản. Vì vậy, việc thiết kế bộ điều khiển các thành phần công suất sau này sẽ đơn giản, dẫn đến hạ giá thành bộ điều khiển của hệ thống. Các mạch trong hệ thống đều là các mạch liên tục, nên kết quả điện áp ra của máy phát hoàn toàn liên tục và sẽ có dạng sin chuẩn.
40 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT BẰNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TÍNH ĐÚNG ĐẮN CỦA HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT 3.1 Mở đầu Trong chƣơng 2, tác giả đã đề xuất cấu trúc hệ thống phát điện sử dụng DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor và chứng minh tính đúng đắn và các ƣu điểm của cấu trúc mới đề xuất bằng các mô hình toán hệ thống. Để làm rõ hơn nguyên lý hoạt động và phân tích đƣợc kỹ hơn các ƣu nhƣợc điểm của hệ thống đề xuất, trong chƣơng 3, tác giả sẽ tiến hành khảo sát hệ thống bằng phƣơng pháp mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. 3.2 Các khâu chức năng trong hệ thống Tổng hợp kết quả nghiên cứu ở mục 2.3 trong chƣơng 2, ta có sơ đồ khối chi tiết của hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đƣợc thể hiện ở hình 3.1: Hình 3.1: Sơ đồ khối hê thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor
41 Các khâu trong hệ thống gồm: DFIG1: là máy điện dị bộ nguồn kép công suất nhỏ, stator đƣợc nối trực tiếp với điện áp lƣới, rotor hoạt động ở chế độ hở mạch. DFIG1 có tác dụng tạo tín hiệu suất điện động cảm ứng đồng dạng ở rotor. Khâu đồng dạng và cách ly: là mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng IC khuếch đại thuật toán, với trở kháng đầu vào vô cùng lớn để rotor của DFIG1 hoạt động ở chế độ hở mạch. Khâu tích phân: thực hiện tích phân tín hiệu ở đầu ra của khâu đồng dạng và cách ly. Các khâu khuếch đại tín hiệu GP, GQ và khâu đảo pha“-1” đƣợc xây dựng bằng các IC khuếch đại thuật toán. j. / 2 Khâu xoay 900 ( e ): có nhiệm vụ tạo tín hiệu đầu ra vƣợt trƣớc tín hiệu đầu vào một góc 900. Mạch công suất điều khiển dòng điện: tạo ra dòng điện để đƣa vào rotor của DFIG2. Mạch này có độ lớn dòng điện đầu ra bằng tín hiệu điện áp đầu vào. DFIG2: là máy phát điện dị bộ nguồn kép, có nhiệm vụ phát ra điện áp và dòng điện hòa với lƣới điện. DFIG1 và DFIG2 có số cặp cực bằng nhau, đƣợc nối cứng trục với nhau sao cho các tọa độ góc của các cuộn dây rotor và stator của 2 máy trùng nhau. Trong cấu trúc hệ thống, các khâu xử lý tín hiệu, mạch điều khiển dòng điện đều đƣợc thực ở mạch điện đƣợc nối trực tiếp với các cuộn dây pha của rotor DFIG1 và DFIG2. Và trong quá trình tính toán, điều khiển, các tín hiệu không phải chuyển đổi sang hệ trục tọa độ quay dq. Tuy nhiên, để làm rõ sự phù hợp và tính liên kết của các kết quả mô phỏng với các kết luận ở chƣơng 2, tác giả chạy mô phỏng cả các đƣờng đặc tính tín hiệu rotor của DFIG1 và DFIG2 ở hệ trục tọa độ quay theo vector điện áp lƣới dq.
42 3.3 Xây dựng mô hình hệ thống Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng chi tiết toàn bộ các khâu trong hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor trên phần mềm Matlab-Simulink, đƣợc thể hiện đơn giản hóa ở hình 3.2, chi tiết các khâu nhƣ sau: Các khâu khuếch đại GSS , Khâu đảo pha “-1” và khâu tích phân: các khâu này sử dụng các phần tử có sẵn trong thƣ viện của matlab, kĩ thuật chế tạo các khâu này trong thực tế cũng rất đơn giản, thuận lợi bằng cách sử dụng các IC khuếch đại thuật toán. Các khâu khuếch đại lập trình được GP, GQ (programable gain amplifier- PGA): là các mạch khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đại có thể thay đổi đƣợc bằng cách lập trình. Các công trình nghiên cứu xây dựng PGA[81][82]cho thấy: hệ số khuếch đại có thể đƣợc điều khiển hoàn toàn tuyến tính nếu tần số tín hiệu nhỏ hơn 1MHZ. Trong trƣờng hợp cần mở rộng phạm vi hệ số khuếch đại, ta có thể thực hiện phƣơng pháp ghép tầng các PGA[76]. Nhiệm vụ của các PGA trong hệ thống là điều chỉnh trực tiếp các thành 2 2 phần dòng điện rotor DFIG2 dọc trục và ngang trục irtd , irtq, từ đó điều chỉnh đƣợc công suất tác dụng P, và công suất phản kháng Q của DFIG2 phát lên lƣới.
43 Hình 3.2: Mô hình mô phỏng hệ thống
44 Khâu xoay 900: có nhiệm vụ tạo tín hiệu ở từng pha nhanh hơn 900. Có thể thực hiện khâu này bằng cách thực hiện phép tính đạo hàm từng tín hiệu, tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng pháp tính đạo hàm là biên độ đầu ra của tín hiệu bị thay đổi khi tần số của tín hiệu thay đổi. Vì vậy, tác giả để xuất một phƣơng pháp thực hiện khâu xoay 900 sau: Giả sử khâu có 3 tín hiệu đầu vào là Sa, Sb, Sc và 3 tín hiệu phải tạo ở đầu ra là Sa’ ,Sb’, Sc’. Vì tín hiệu ở các pha là đối xứng nên có thể tạo tín hiệu Sa’ 0 nhanh pha hơn tín hiệu Sa một góc 90 bằng cách thực hiện công thức sau: ' Sa (2/ 3).(0.5Sa Sc ). Quá trình tạo Sa’ đƣợc giải thích cụ thể ở đồ thị vector hình 3.3, chạy thử khâu này cho ta kết quả ở hình 3.4. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là thực hiện đơn giản, tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là chỉ sử dụng đƣợc trong trƣờng hợp các tín hiệu là ba pha đối xứng. Hình 3.3 Đồ thị vector quá trình tạo Sa’
45 time(s) Hình 3.4: Kết quả mô phỏng khâu xoay 900 Mạch điều khiển dòng điện: các tín hiệu đầu vào của mạch đƣợc đƣa đến từ các khâu xử lý tín hiệu, độ lớn của các tín hiệu đầu vào này chính là giá trị 2 * dòng điện mong muốn ( i r_abc). Trong mô hình, tác giả điều khiển độ lớn dòng điện đầu ra bằng phƣơng pháp Hysteresis [55][60], thể hiện ở hình 3.5. Phƣơng pháp điều khiển dòng điện Hysteresis đƣợc ứng dụng trong các trƣờng hợp khi cần điều khiển giá trị dòng điện bám theo giá trị của tín hiệu mẫu cho trƣớc. Trong mô hình đề xuất (hình 3.1), giá trị của các tín hiệu 3 pha 2 * i r_abc từ các khâu xử lý tín hiệu chính là giá trị đặt của dòng điện rotor DFIG2 2 ( ir_abc). 2 2 * Ví dụ xét pha A, nếu giá trị thực tế thực tế ira nhỏ hơn giá trị đặt i ra, IGBT1 mở để tăng dòng, và ngƣợc lại, IGBT2 mở để giảm dòng. Để tránh hiện tƣợng trùng dẫn, trong khâu so sánh (Hysteresis comparator) có cài đặt thêm khâu trễ theo mức. Chạy mạch điều khiển dòng điện, có kết quả mô phỏng ở đƣợc thể hiện ở hình 3.6.
46 a) b) Hình 3.5: Điều khiển dòng điện theo phƣơng pháp Hysteresis time(s) Hình 3.6: Kết mô phỏng mạch điều khiển dòng điện DFIG1 và DFIG2: là các máy phát dị bộ nguồn kép, có các tham số đƣợc thống kê chi tiết ở bảng 3.1: Bảng 3.1: Các thông số của DFIG1 và DFIG2 S(VA) U(V) f(HZ) Rs (Ω) Ls (H) Rr(Ω) Lr(H) Lm(H) q DFIG1 1500 400 60 0.512 3.93e-3 0.690 3.92e-3 0.2344 2 DFIG2 1.000.000 400 60 1.56e-3 3.9e-4 1.62e-3 3.95e-4 0.0923 2 Các khâu khác: ngoài ra, trong mô hình mô phỏng còn có thêm các khâu khác để đảm bảo tính sát thực của toàn bộ mô hình hệ thống nhƣ: hệ thống điện áp lƣới gồm máy phát và dây dẫn, tải tiêu thụ điện, máy biến áp Tr1, mạch chỉnh lƣu–nghịch lƣu ở phía lƣới bằng phƣơng pháp 3 mức, các thiết bị đóng cắt Breaker, các thiết bị đo điện áp, dòng điện
47 3.4 Cách chỉnh định và vận hành hệ thống 3.4.1 Chỉnh định hệ thống khi stator của DFIG2 chưa nối với lưới Ta cài đặt các hệ số khuếch đại GP và GQ bằng 0. Lúc này, pha và tần số của điện áp stator DFIG2 luôn trùng pha và tần số với điện áp lƣới, còn biên độ của điện áp ở stator DFIG2 phụ thuộc vào độ lớn của hệ số khuếch đại GSS ở khâu đồng dạng và cách ly. Vì vậy, có thể điều chỉnh biên độ điện áp stator DFIG2 bằng cách điều chỉnh độ lớn GSS. Sau khi điều chỉnh xong, các điều kiện để hòa stator của DFIG2 với lƣới đều thỏa mãn tốt (Điện áp máy phát trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số với điện áp lƣới), ta có thể nối stator của DFIG2 với lƣới. 3.4.2 Vận hành hệ thống sau khi stator của DFIG2 nối với lưới Theo kết quả ở phần 2.3.4 trong chƣơng 2, công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của stator DFIG2 tỉ lệ với hệ số GP và GQ: P G .X P (3.1) Q GQ .Y Với X, Y là các giá trị không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor mà chỉ phụ thuộc vào cấu tạo DFIG1 và DFIG2. Vì vậy, công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của DFIG2 phát lên lƣới có thể đƣợc điều khiển độc lập bằng cách điều chỉnh độ lớn hệ số GP và GQ ở các khâu khuếch đại (tính chất này sẽ đƣợc thể hiện rõ hơn ở các kết quả mô phỏng hệ thống). 3.5 Mô phỏng các đặc tính của các khâu trong hệ thống Ta chạy mô phỏng đặc tính các khâu ở 2 giai đoạn: trƣớc khi máy phát hòa lƣới và sau khi máy phát hòa lƣới. Vì DFIG2 có vai trò là máy phát, nên để thuận tiện, ta quy ƣớc chiều dƣơng dòng điện là chiều từ DFIG2 đi ra lƣới. 3.5.1 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện chưa hòa với lưới Quá trình chỉnh định GSS: Theo kết luận ở mục 2.3.3, tần số và pha của điện áp máy phát luôn trùng với tần số và pha của điện áp lƣới, còn biên độ của điện áp máy phát có thể điều chỉnh thông qua hệ số khuếch đại Gss ở khâu đồng
48 dạng và cách ly. Vì vậy, ta thực hiện chạy mô phỏng hệ thống để kiểm chứng bằng cách cho hệ số Gss thay đổi, kết quả đƣợc thể hiện ở hình 3.7, gồm các đƣờng đặc tính sau: Giá trị hệ số khuếch đại của khâu cách ly GSS; Điện áp đồng 1 dạng ở các pha rotor của DFIG1 ur_abc; Dòng điện ở các pha của rotor DFIG2 2 ir_abc; Độ lớn vector dòng điện rotor DFIG2 ở tọa độ quay theo vector điện áp 2 f 1 2 lƣới | i r0|; Điện áp pha A của DFIG1 và DFIG2 usa, usa. 2 Theo kết quả mô phỏng hình 3.7, điện áp pha A ở stator của máy phát usa 1 2 có tần số và pha luôn trùng với điện áp pha A của lƣới usa , còn biên độ của usa có thể điều chỉnh tỉ lệ bằng cách điều chỉnh hệ số khuếch đại GSS. Tại thời điểm 2 t=1.6s, ta chỉnh định GSS=11.2, lúc đó điện áp usa trùng biên độ, trùng pha, trùng tần số với điện áp lƣới, đảm bào đủ điều kiện sẵn sàng hòa hệ thống phát điện với lƣới. time(s) Hình 3.7: Kết quả mô phỏng quá trình chỉnh đinh Gss
49 Tiếp theo, ta chạy thử mô hình để kiểm tra khả năng bám điện áp lƣới của stator DFIG2 khi tốc độ rotor thay đổi hoặc điện áp lƣới thay đổi. Đáp ứng của hệ thống khi tốc độ rotor ɷ thay đổi: Để kiểm chứng kết luận trong chƣơng 2 là: sau khi chỉnh định Gss, điện áp của máy phát luôn bám theo điện áp lƣới ngay cả khi tốc độ rotor thay đổi. Ta chạy mô phỏng hệ thống trong trƣờng hợp tốc độ rotor của DFIG thay đổi, các kết quả đƣợc thể hiện ở hình 3.8, gồm các đƣờng đặc tính sau: Tốc độ góc của rotor ɷ ; Điện áp đồng 1 dạng ở các pha của rotor DFIG1 ur_abc; Dòng điện ở các pha của rotor DFIG2 2 ir_abc; Độ lớn vector dòng điện rotor DFIG2 ở tọa độ quay theo vector điện áp 2 f 1 2 lƣới | i r0|; Điện áp pha A của DFIG1 và DFIG2 usa, usa. Theo kết quả mô phỏng, khi ɷ càng gần tốc độ đồng bộ (1 pu) thì điện áp 1 đồng dạng ở các pha rotor của DFIG1 ur_abc có biên độ và tần số cùng giảm, 2 dòng điện điều khiển các pha ở rotor DFIG2 ir_abc có biên độ cố định còn tần số giảm. Khi ɷ bằng tốc độ đồng bộ thì điện áp đồng dạng các pha rotor DFIG1 1 2 ur_abc đều bằng 0, các dòng điện rotor của DFIG2 ir_abc thành các dòng điện 2 không đổi. Kết quả thu đƣợc là điện áp pha A ở stator của máy phát usa luôn 1 trùng biên độ, tần số và pha với điện áp pha A của lƣới usa. Vậy khả năng bám điện áp lƣới của máy phát DFIG2 khi tốc độ rotor thay đổi là rất tốt. Ngoài ra, cũng theo kết quả mô phỏng ở hình 3.7 cho thấy: khi tốc độ rotor ɷ thay đổi, dòng điện rotor DFIG2 ở tọa độ quay theo vector điện áp lƣới 2 f ( i r0) luôn cố định, đặc điểm này phù hợp với kết luận ở mục 2.3.3 trong chƣơng 2. 2 f Và do trong tọa độ quay theo vector điện áp lƣới, i r0 là thành phần cố 2 f định nên i r0 là thành phần cơ sở để điều chế các thành phần dòng điện rotor dọc trục và ngang trục của DFIG2 trong hệ trục tọa độ quay theo vector điện áp lƣới dq.
50 time(s) Hình 3.8: Đáp ứng hệ thống phát điện chƣa hòa lƣới khi tốc độ rotor ɷ thay đổi Đáp ứng của hệ thống khi sụt điện áp lưới: đƣợc thể hiện ở hình 3.9, 1 gồm các đƣờng đặc tính: Điện áp pha A của lƣới usa; Điện áp đồng dạng ở các 1 2 pha của rotor DFIG1 ur_abc; Dòng điện ở các pha của rotor DFIG2 ir_abc; Độ 2 f lớn vector dòng điện rotor DFIG2 ở tọa độ quay theo vector điện áp lƣới | i r0|; 2 Điện áp pha A của máy phát usa. 1 Kết quả mô phỏng hình 3.9 cho thấy: khi sụt điện áp lƣới pha A usa, điện 1 áp đồng dạng ở các pha của rotor DFIG1 ur_abc và dòng điện điều khiển các pha 2 ở rotor của DFIG2 ir_abc thay đổi phù hợp để điều khiển từ thông của DFIG2, 2 kết quả là điện áp pha A ở stator của máy phát usa luôn bám theo điện áp pha A
51 1 của lƣới usa, vậy khả năng bám điện áp lƣới của hệ thống phát điện khi điện áp lƣới thay đổi hay có sự cố là rất tốt. time(s) Hình 3.9: Đáp ứng của hệ thống phát điện chƣa hòa lƣới khi sụt điện áp lƣới Vậy trong trường hợp stator DFIG2 chưa nối với lưới ta có các kết luận sau: Điện áp máy phát luôn trùng pha, trùng tần số với điện áp lƣới, còn biên độ của điện áp máy phát có thể điều chỉnh bằng cách điều chỉnh hệ số khuếch đại GSS ở khâu đồng dạng và cách ly. Và sau khi chỉnh định GSS xong, điện áp của máy phát luôn trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp lƣới ngay cả khi tốc độ rotor thay đổi hay điện áp lƣới thay đổi, đáp ứng rất tốt các điều kiện về hòa đồng bộ giữa hệ thống phát điện với lƣới điện ”mềm”.
52 3.5.2 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện hòa với lưới Điều chỉnh độc lập các thành phần công suất thông qua GP, GQ: Sau khi điều chỉnh GSS, các điều kiện để stator DFIG2 nối với lƣới đều thỏa mãn tốt, ta nối stator DFIG2 với lƣới. Theo kết quả ở mục 2.3.4, ta có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát 2 2 2 2 lên lƣới thông qua điều chỉnh ird , irq , việc điều chỉnh ird , irq lại đƣợc thực hiện thuận lợi bằng cách thay đổi hệ số GP và GQ. Vì vậy, có thể điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới thông qua điều chỉnh hệ số GP và GQ. Để khảo sát tính chất của đối tƣợng ta chạy thử hệ thống khi các giá trị GP và GQ thay đổi, kết quả đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.10, gồm các đƣờng đặc tính sau: Hệ số khuếch đại GP và GQ; Điện áp một chiều 2 trung gian udc; Các dòng điện các pha rotor của DFIG2 ir_abc ; Các thành phần dòng điện rotor dọc trục và ngang trục của DFIG2 trên tọa độ quay theo vector 2 2 2 2 điện áp lƣới ird , irq; Điện áp và dòng điện pha A của stator DFIG2 usa , isa; Công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới P, Q. Theo kết quả mô phỏng cho thấy: Trong khoảng thời gian trƣớc 1.4s và sau 1.9s: Các hệ số GP và GQ đều 2 bằng 0, nên isa =0, do đó công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới đều bằng 0. Trong khoảng thời gian 1.4s đến 1.6s: GP≠0; GQ=0, dòng điện pha A của 2 2 stator DFIG2 ( isa) luôn trùng pha với điện áp pha A của lƣới ( usa ), do đó DFIG2 phát lên lƣới công suất tác dụng P. Và khi giá trị GP tăng lên gấp đôi thì biên độ của dòng điện cũng tăng lên gấp đôi, tức công suất tác dụng của DFIG2 phát lên lƣới tăng lên gấp đôi. Trong khoảng thời gian 1.7s đến 1.9s: GP=0; GQ ≠0, dòng điện pha A của stator DFIG nhanh pha hơn so với điện áp pha A của lƣới một góc π/2, do đó DFIG phát lên lƣới công suất phản kháng Q. Và khi giá trị GQ tăng lên gấp đôi thì biên độ của dòng điện cũng tăng lên gấp đôi, tức công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới tăng lên gấp đôi.
53 Vậy từ kết quả mô phỏng cho thấy có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của DFIG2 phát lên lƣới thông qua điều chỉnh hệ số GP và GQ trong các mạch khuếch đại lập trình đƣợc (Programable Gain Ampifier). time(s) Hình 3.10: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi GP và GQ thay đổi Tiếp theo ta khảo sát đáp ứng của hệ thống khi tốc độ máy chính thay đổi hoặc điện áp lƣới thay đổi. Đáp ứng hệ thống khi tốc độ rotor ɷ thay đổi: Ta cài đặt các hệ số khuếch đại GP và GQ cố định (GP=10, GQ=0), và chạy mô phỏng hệ thống khi cho tốc độ rotor của DFIG thay đổi, kết quả thể hiện ở hình 3.11, gồm các đƣờng đặc tính: tốc độ góc của rotor ɷ ; Điện áp một chiều trung gian udc; Các 2 dòng điện các pha của rotor DFIG2 ir_abc ; Các thành phần dòng điện dọc trục
54 2 2 và ngang trục của rotor DFIG2 trên tọa độ quay theo vector điện áp lƣới ird, irq; 2 2 Điện áp và dòng điện pha A của stator DFIG2 usa, isa ; Công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới P, Q. Khi ɷ càng gần tốc độ đồng bộ (1 pu) thì dòng điện điều khiển các pha ở 2 rotor của DFIG ir_abc có biên độ cố định còn tần số giảm, tức là các thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục của rotor DFIG2 trên tọa độ quay theo vector 2 2 điện áp lƣới ird, irq không đổi. Khi ɷ bằng tốc độ đồng bộ thì các dòng điện 2 rotor của DFIG ir_abc thành các dòng điện không đổi. Kết quả là dòng điện một chiều trung gian udc, công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới không đổi. Vậy ta có kết luận: hệ thống phát điện vẫn ổn định khi tốc độ máy chính thay đổi. time(s) Hình 3.11: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi tốc độ thay đổi Đáp ứng của hệ thống khi sụt điện áp lưới: Để khảo sát hệ thống khi sụt điện áp lƣới, ta chạy mô phỏng hệ thống trong trƣờng hợp đóng vào lƣới một phụ tải công suất lớn, làm điện áp lƣới bị sụt, kết quả đƣợc thể hiện ở hình 3.12,
55 1 gồm các đƣờng đặc tính: Điện áp lƣới usa ; Điện áp một chiều trung gian udc; 2 Các dòng điện pha rotor của DFIG2 ir_abc; Các dòng điện pha stator của DFIG2 2 is_abc; Công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới P, Q. Với các hệ thống phát điện đơn giản trƣớc đây, trong chế độ hòa máy phát với lƣới, khi xảy ra hiện tƣợng sụt điện áp lƣới, sự chênh lệch điện thế giữa đầu cực của máy phát với lƣới điện tăng nhanh, dẫn tới hiện tƣợng quá dòng của máy phát. Nhƣng với mô hình phát điện mới đề xuất, các kết quả mô phỏng cho thấy: khi sụt điện áp lƣới với hệ số K, dòng điện các pha stator DFIG2 phát lên lƣới cũng giảm với hệ số K, kết quả là công suất DFIG2 phát lên lƣới giảm với hệ số K2. Vậy với đặc điểm tự nhiên này, hệ thống sẽ có phản ứng thích hợp trong điều kiện sụt điện áp lƣới là không có nguy cơ bị quá dòng của máy phát khi xảy ra hiện tƣợng sụt điện áp lƣới. time(s) Hình 3.12: Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi sụt điện áp lƣới
56 Nhận xét và kết luận chƣơng 3 Trong chƣơng 3, tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng toàn bộ hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor. Mô hình mô phỏng đƣợc xây dựng chi tiết, tỉ mỉ tới từng phần tử nhƣ các van công suất, các thiết bị điều khiển, đối tƣợng điều khiển DFIG. Các kết quả mô phỏng ở hình 3.7, 3.8 và 3.9 phù hợp với kết luận trong mục 2.3.3 ở chƣơng 2: khi máy phát chƣa hòa với lƣới, sau khi chỉnh định Gss, điện áp của máy phát luôn trùng pha, trùng tần số, trùng biên độ với điện áp lƣới, ngay cả trong các trƣờng hợp tốc độ rotor thay đổi hoặc điện áp lƣới thay đổi, đáp ứng rất tốt các điều kiện hòa đồng bộ giữa máy phát với lƣới điện. Các kết quả mô phỏng ở hình 3.10, 3.11, 3.12 phù hợp với kết luận mục 2.3.4 trong chƣơng 2: khi hòa máy phát với lƣới điện, có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG2 phát lên lƣới thông qua điều chỉnh hệ số GP và GQ. Và các kênh điều khiển công suất không bị ảnh hƣởng khi tốc độ quay của rotor thay đổi. So với các mô hình trƣớc đây, mô hình điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor phải thêm một DFIG loại nhỏ để tạo tín hiệu đồng dạng, nhƣng hệ thống lại giảm bớt đƣợc các phần tử khác nhƣ cảm biến tốc độ, vị trí. Các khâu trong hệ thống đƣợc thiết kế rất đơn giản, dễ dàng. Vì vậy, giá thành của hệ thống điều khiển sẽ giảm so với các phƣơng án trƣớc đây, nhƣng chất lƣợng thu đƣợc của hệ thống vẫn cao cụ thể nhƣ sau: Khả năng bám điện áp lƣới của hệ thống phát điện trƣớc khi hòa đồng bộ là rất tốt. Sau khi hệ thống phát điện nối với lƣới, công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG phát lên lƣới đƣợc cách ly với nhau và có thể điều khiển độc lập thông qua việc điều chỉnh giá trị của hệ số GP và GQ.
57 CHƢƠNG 4: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT DỊ BỘ NGUỒN KÉP BẰNG KỸ THUẬT TÍN HIỆU ĐỒNG DẠNG ROTOR 4.1 Mở đầu Để hệ thống phát điện hòa đƣợc với lƣới, điều kiện đầu tiên là điện áp của máy phát phải luôn trùng pha, trùng biên độ, trùng tần số với điện áp lƣới. Điều kiện tiếp theo là phải điều khiển đƣợc các thành phần công suất của máy phát lên lƣới theo các yêu cầu sử dụng điện năng. Với hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, thì điều kiện đầu tiên luôn đƣợc thỏa mãn (theo các kết quả đã chứng minh ở chƣơng 2 và chƣơng 3). Vậy vấn đề còn lại là phải thiết lập hệ thống điều khiển để điều khiển các thành phần công suất của máy phát lên lƣới bám theo các giá trị mong muốn. Với mô hình hệ thống phát trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, việc điều khiển các kênh công suất tác dụng, công suất phản kháng của máy phát lên lƣới rất thuận lợi: Công suất tác dụng tỉ lệ với thành 2 phần dòng điện rotor dọc trục ( ird), công suất phản kháng tỉ lệ với thành phần 2 dòng điện rotor ngang trục ( irq). Các thành phần dòng điện rotor dọc trục và 2 2 ngang trục ( ird, irq) lại đƣợc điều chế từ các tín hiệu đồng dạng và các khâu xử 2 2 lý tín hiệu, độ lớn của ird, irq có thể thay đổi đƣợc bằng cách điều khiển thay đổi hệ số khuếch đại GP và GQ ở các khâu khuếch đại. Vậy có thể điều chỉnh các kênh công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát lên lƣới thông qua việc điều chỉnh độ lớn hệ số GP và GQ. Tiếp theo, tác giả nghiên cứu thiết lập hệ thống điều khiển các kênh công suất của máy phát. 4.2 Xác định cấu trúc đối tƣợng điều khiển Trƣớc khi thiết lập hệ thống điều khiển, việc đầu tiên là phải xác định cấu trúc của đối tƣợng điều khiển. Cấu trúc của hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng phƣơng pháp đồng dạng tín hiệu rotor đã đƣợc xây dựng chi tiết trong chƣơng 3(hình 3.5), bao gồm rất nhiều khâu và phần tử nhƣ: các máy điện dị bộ nguồn kép DFIG1 và DFIG2, các IGBT cấu thành lên mạch nghịch lƣu phía
58 lƣới, các IGBT cấu thành lên mạch nghịch lƣu phía máy phát, các khâu xử lý tín hiệu, mạch điện một chiều trung gian Vì vậy, việc xác định mô hình toán chính xác của toàn bộ hệ thống là rất khó khăn, nên để xác định đƣợc đối tƣợng điều khiển hiệu quả, ta phải chú ý tới mục đích điều khiển, từ đó xác định đƣợc đầu ra của đối tƣợng điều khiển, và phải tìm đƣợc các tín hiệu đầu vào hợp lý để kiểm soát hiệu quả các giá trị đầu ra đó, tức là xác định đƣợc đầu vào của đối tƣợng điều khiển. Theo kết quả ở mục 2.3.4 trong chƣơng 2 và kết quả mô phỏng trong chƣơng 3, có thể xác định đối tƣợng điều khiển gồm 2 kênh điều khiển độc lập, thể hiện ở hình 4.1, gồm: 1. kênh điều khiển dòng điện stator dọc trục của 2 DFIG2 trên tọa độ quay theo vector điện áp lƣới isd, với đầu vào là hệ số GP, 2 đầu ra là thành phần dòng điện stator dọc trục isd (hay công suất tác dụng P); 2. Kênh điều khiển dòng điện stator ngang trục của DFIG2 trên tọa độ quay theo 2 vector điện áp lƣới isq , với đầu vào là hệ số GQ, đầu ra là thành phần dòng điện 2 stator ngang trục isq (hay công suất phản kháng Q). Công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải tiêu thụ điện (PL, QL) đƣợc đo bởi thiết bị đo, qua bộ tính toán phân chia tải, có đƣợc giá trị đặt (giá trị mong muốn) của công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát lên lƣới (P*, Q*). Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là phải điều khiển các thành phần công suất (P, Q) của máy phát lên lƣới bám theo các giá trị đặt (P*, Q*).
59 Hình 4.1: Đối tƣợng điều khiển Với cấu trúc đối tƣợng điều khiển đề xuất, các kênh điều khiển không bị ảnh hƣởng chéo nhau. Sơ đồ khối của đối tƣợng điều khiển đƣợc thể hiện đơn giản hóa ở hình 4.2. Hình 4.2: Sơ đồ khối đối tƣợng điều khiển Đặc điểm và tính chất từng kênh của đối tƣợng điều khiển đã đƣợc khảo sát qua mô hình toán ở mục 2.3.4 trong chƣơng 2, và qua kết quả mô phỏng ở hình 3.10 trong chƣơng 3. Tiếp theo, tác giả thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đối tƣợng đã đề xuất.
60 4.3 Thiết kế bộ điều khiển Ngày nay, với các thành tựu của khoa học kỹ thuật điều khiển, có rất nhiều loại bộ điều khiển kinh điển và hiện đại đáp ứng đƣợc hiệu quả điều khiển nhƣ các bộ điều khiển mờ, nơron, thích nghi, tối ƣu Trong số đó thì bộ khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân (PID) có đặc điểm cấu trúc đơn giản nhƣng bền vững nên đƣợc ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp. Tuy nhiên, với bộ điều khiển PID, thì chất lƣợng của hệ thống lại bị phụ thuộc rất nhiều vào các tham số KP, KI, KD, các tham số này thƣờng đƣợc tính toán, xác định để điều khiển tốt trong một trạng thái giới hạn của hệ thống. Do vậy, để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển, trong quá trình vận hành, cần phải chỉnh định các tham số KP, KI, KD cho phù hợp với trạng thái thực tế của hệ thống. Quá trình chỉnh định các tham số này có thể đƣợc tính toán và thực hiện thông qua bộ chỉnh định mờ tự động. Cấu trúc bộ điều khiển PID có các tham số đƣợc chỉnh định bằng bộ điều khiển mờ đƣợc gọi là bộ PID chỉnh định mờ. Bộ điều khiển PID chỉnh định mờ vừa có ƣu điểm của bộ điều khiển PID, vừa có ƣu điểm của một hệ thống điều khiển thích nghi vì: các tham số của bộ điều khiển PID luôn thay đổi để phù hợp với trạng thái và đặc điểm của đối tƣợng. Ngoài ra, với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ, ta có thể tránh đƣợc bài toán nhận dạng và mô hình hóa phức tạp, và những kinh nghiệm về đặc tính của đối tƣợng điều khiển dễ dàng đƣợc đƣa vào các luật điều khiển. Hơn nữa, với đối tƣợng điều khiển đã đƣợc xác định nhƣ ở trên, bao gồm rất nhiều khâu và phần tử, nên việc tìm mô hình toán chính xác của đối tƣợng điều khiển cũng rất khó khăn. Vì các lý do trên, tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tƣợng. Mô hình hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ đƣợc thể hiện ở hình 4.3:
61 Hình 4.3: Mô hình hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ Trong đó, bộ điều khiển PID có tín hiệu đầu ra u(t) nhƣ sau: t de(t) u(t) KP.e(t) KI e(x)dx KD (4.1) 0 dt Với các tham số KP, KI, KD đƣợc chỉnh định theo bộ chỉnh định mờ dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch de/dt. Để thuận tiện cho việc thiết chế bộ chỉnh định mờ, đầu tiên tác giả trình bầy khái quát về hệ thống điều khiển mờ. 4.3.1 Khái quát về hệ thống điều khiển mờ Hệ thống điều khiển mờ là tập hợp các qui tắc dƣới dạng ” if then ” để tái tạo kinh nghiệm của con ngƣời và đƣợc tích hợp vào cấu trúc điều khiển của hệ thống. Việc thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, nó tùy thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức của ngƣời thiết kế. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ [8] thể hiện ở hình 4.4, gồm 3 khâu cơ bản sau: Khâu mờ hoá: Làm nhiệm vụ chuyển đổi từ giá trị rõ đầu vào xác định sang trạng thái đầu vào mờ. Thiết bị hợp thành: Triển khai luật hợp thành trên cơ sở luật điều khiển ”if then”. Khâu giải mờ: Chuyển đổi từ giá trị mờ nhận đƣợc của thiết bị hợp thành sang giá trị thực để điều khiển đối tƣợng.
62 Hình 4.4: Cấu trúc một bộ điều khiển mờ Trong đó: x: là tập giá trị thực đầu vào. : tập mờ của giá trị đầu vào. B’: tập giá trị mờ của giá trị điều khiển thực. y: giá trị điều khiển thực. Công việc thiết kế một bộ điều khiển mờ thông thƣờng bao gồm các bƣớc sau: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra. Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá). Xây dựng luật hợp thành. Chọn thiết bị hơp thành. Chọn phƣơng pháp giải mờ. 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tượng Sơ đồ hệ thống điều khiển đối tƣợng với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ đƣợc thể hiện ở hình 4.5. Đối tƣợng điều khiển gồm 2 kênh điều khiển độc lập là kênh công suất tác dụng P và kênh công suất phản kháng Q, mỗi kênh đƣợc điều khiển bằng một bộ điều khiển PID với các tham số KP, KI, KD đƣợc chỉnh định bởi các bộ chỉnh định mờ mô hình madani [77][84]. a) b) Hình 4.5: Hệ thống điều khiển các thành phần công suất bằng bộ điều khiển PID chỉnh định mờ
63 Xét kênh điều khiển công suất tác dụng P, Bộ điều khiển PID với các tham số KP, KI, KD đƣợc chỉnh định bởi bộ chỉnh định mờ. Đầu vào bộ chỉnh định mờ là sai lệch e và đạo hàm của sai lệch ė, đầu ra là các giá trị KP, KI, KD. Việc thiết kế bộ chỉnh định các tham số KP, KI, KD bằng bộ chỉnh định mờ phải dựa trên kinh nghiệm. Sau đây, tác giả tiến hành thiết kế bộ chỉnh định mờ. Chọn các hàm liên thuộc: Đầu tiên ta phải xác định số lƣợng tập mờ cần thiết cho các biến vào và ra: thông thƣờng số lƣợng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lƣợng quá ít thì mối quan hệ vào ra bộ chỉnh định quá thô và ít có ý nghĩa thực tiễn. Nếu số lƣợng quá nhiều thì mối quan hệ vào ra của bộ chỉnh định quá mịn, đôi khi con ngƣời cũng khó có đủ kinh nghiệm bao quát hết các trƣờng hợp xảy ra, và chiếm nhiều bộ nhớ chƣơng trình, làm chậm tốc độ tính toán. Với đặc điểm của đối tƣợng điều khiển, tác giả chọn số lƣợng tập mờ cho mỗi biến đầu vào và đầu ra bằng 5 là hợp lý. Chọn dạng cho các hàm hàm liên thuộc: có rất nhiều dạng hàm thuộc nhƣ: Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape Vấn đề chọn hàm liên thuộc cũng rất quan trọng. Theo kinh nghiệm, tác giả chọn hàm liên thuộc dạng tam giác, bởi dạng hàm liên thuộc dạng này thể hiện rõ mức độ phụ thuộc của các tập mờ với từng giá trị rõ đầu vào, và dạng hàm liên thuộc này dễ dàng tổng hợp trong các thiết bị lập trình. Dựa vào các nhận xét trên, tác giả chọn các hàm liên thuộc đầu vào e và ė nhƣ hình 4.6b, mỗi giá trị đầu vào gồm 5 tập mờ: âm lớn (NB), âm (N), Không (Z), Dƣơng (P), Dƣơng lớn (PB), nằm trong dải giá trị [-1 1] pu. Do máy phát 2 có công suất 1000(KVA) nên dòng isd có độ lớn cực đại khoảng 2143(A), vì 2 2 * vậy giá trị thực tế của e (sai lệch giữa isd và i sd ) và ė sẽ nằm trong khoảng [- 2143 2143]. Do vậy, để e và ė nằm trong dải giá trị [-1 1] pu thì ta chọn hệ số chuyển đổi e và ė nhƣ sau: Xe=1/2143, Xė=1/2143.
64 Tiếp theo ta chọn các hàm liên thuộc đầu ra KP, KI, KD nhƣ hình 4.6c, mỗi giá trị đầu ra gồm 5 tập mờ: Rất nhỏ (VS), Nhỏ (S), Trung bình (M), Lớn (B), Rất lớn (VB), nằm trong dải giá trị [0 1]pu, với hệ số chuyển đổi -2 -2 -2 XKP=1/(6.10 ), XKI=1/(15.10 ), XKD=1/(3.10 ). a) b) c) Hình 4.6: Bộ chỉnh định mờ và các hàm liên thuộc Các luật suy diễn: đƣợc thực hiện dựa trên kinh nghiệm và đặc điểm của đối tƣợng điều khiển. Theo [80], giá trị các tham số KP, KI, KD sẽ ảnh hƣởng trực tiếp tới các quá trình quá độ của hệ thống kín, phản ứng của hệ thống kín khi thay đổi các tham số KP, KI, KD đƣợc tổng hợp ở bảng 4.1: Bảng 4.1: Phản ứng hệ thống kín khi thay đổi các tham số bộ điều khiển PID Điều chỉnh Quá điều chỉnh Thời gian quá độ Sai số xác lập Tăng KP Tăng Tăng ít Giảm Tăng KI Tăng Tăng Giảm nhiều Tăng KD Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
65 Dựa trên đặc điểm các phản ứng của hệ thống kín khi điều chỉnh các tham số KP, KI, KD ở trong bảng 4.1, kinh nghiệm điều chỉnh của các công trình nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ [43][95], và đặc điểm của đối tƣợng điều khiển, tác giả đề xuất thực hiện các luật suy diễn của bộ chỉnh định mờ phù hợp với đối tƣợng điều khiển, đƣợc tổng hợp ở bảng 4.2. Bảng 4.2: Luật suy diễn bộ chỉnh định mờ e NB N Z P PB ė KP VS VS VS S M NB KI VB VB VB S VS KD VS VS VS B VB KP VS S S S M N KI VB B B M VS KD VS S S M VB KP VS S M B VB Z KI B B M S VS KD S S M B VB KP M B B B VB P KI B M S S VS KD S M B B VB PB KP M B VB VB VB KI M S VS VS VS KD M B VB VB VB Chọn luật hợp thành dạng MAX-MIN, giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm. Kết quả ta có các đồ thị biểu diễn mối quan hệ các biến vào ra của bộ chịnh định mờ đƣợc thể hiện ở hình 4.7. Hình 4.7: Đồ thị quan hệ các biến vào ra của bộ chỉnh định mờ Tƣơng tự, ta thiết kế bộ điều khiển cho kênh điều khiển công suất phản kháng Q giống hệt kênh điều khiển công suất tác dụng P, vì theo kết quả mô
66 phỏng ở chƣơng 3 và kết luận ở mục 2.3.4 trong chƣơng 2 thì đặc điểm của kênh điều khiển Q giống với đặc điểm của kênh điều khiển P. Vậy tác giả đã thiết lập đƣợc toàn bộ hệ thống điều khiển kín máy phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor, mô hình mô phỏng toàn hệ thống đƣợc thể hiện ở hình 4.8.
67 Hình 4.8: Mô hình hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ
68 Thực hiện chạy mô hình tổng thể hệ thống khi giá trị đặt (giá trị mong muốn P*, Q*) thay đổi nhƣ sau: ban đầu, cho giá trị đặt P*=Q*=0, và cho thay đổi ngẫu nhiên các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng P*, Q* tại các thời điểm t=1.4s, 1.6s, 1.8s, 2.0s, 2.2s. Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện ở hình 4.9: time(s) Hình 4.9: Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID chỉnh định mờ Kết quả mô phỏng cho thấy các giá trị công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của stator DFIG2 phát ra lên lƣới luôn bám theo các giá trị mong muốn P*, Q* với thời gian quá độ rất nhỏ (khoảng 0.01s) và không có độ quá điều chỉnh. Trong khi đó, điểm lại kết quả của một số công trình nghiên cứu gần đây về điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG phát lên lƣới [35][42][86][56] cho thấy: thời gian quá độ ngắn nhất là khoảng 0.05s, một số công trình còn có độ dao động và độ quá điều chỉnh lớn.
69 Vậy, với đề xuất mới của tác giả về hệ thống điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đã cải thiện đƣợc đáng kể chất lƣợng của hệ thống phát điện. 4.4 Phân chia tải hệ thống phát điện với lƣới điện Hệ thống phát điện đƣợc hòa với lƣới điện, hệ thống phải đảm bảo việc phân chia chịu tải giữa máy phát và lƣới điện. Có các phƣơng pháp phân chia chịu tải của máy phát nhƣ: phân chịu tải theo độ cứng đặc tính cơ-công suất, phân chia chịu tải theo tỉ lệ công suất đặt trƣớc. Để tiến hành mô phỏng, tác giả thực hiện phân chia tải theo các tỉ lệ công suất đặt trƣớc. Mô hình phân chia chịu tải của máy phát với lƣới điện thể hiện ở hình 4.10, với hệ số phân chia tỉ lệ tải công suất tác dụng là Rp, hệ số phân chia tỉ lệ công suất phản kháng là Rq, công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải tiêu thụ lần lƣợt là PL và QL. a) b) Hình 4.10: Phân chia công suất chịu tải của máy phát với lƣới điện Tác giả chạy thử hệ thống nhƣ sau: cài đặt hệ số phân chia tải Rp=Rq=70%. Ban đầu, nối với lƣới phụ tải 1 có công suất tác dụng PL1= 500kw, công suất phản kháng QL1=300kavr. Tại thời điểm t=1.5 s, nối thêm vào lƣới phụ tải thứ 2 có công suất tác dụng PL2= 400kw, công suất phản kháng QL2=0. Tại thời điểm t=1.6s, nối thêm vào lƣới phụ tải thứ 3 có công suất tác dụng PL3=
70 300kw, công suất phản kháng QL3=300 kavr. Tại thời điểm t=1.7s, ngắt tải 3 ra khỏi lƣới. Tại thời điểm t=1.8s, ngắt tải thứ 2 ra khỏi lƣới. Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện ở hình 4.11. Từ kết quả mô phỏng cho thấy, đáp ứng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q của DFIG2 phát lên lƣới luôn bám theo giá trị công suất mong muốn của nó (70% công suất của tải) với thời gian quá độ rất nhỏ (hình 4.11). time(s) Hình 4.11: Kết quả mô phỏng phân chia công suất tải giữa máy phát với lƣới Trên đây là kết quả mô phỏng quá trình phân chia tải của máy phát với lƣới điện trong trƣờng hợp các phụ tải có công suất tác dụng và công suất phản kháng là cố định. Tuy nhiên thực tế có rất nhiều phụ tải là động cơ điện, các thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng thƣờng xuyên thay đổi phức đáp để đáp ứng các yêu cầu về truyền động điện. Vì vậy, để có kết quả sát thực, tác giả chạy thử hệ thống với trƣờng hợp khác nhƣ sau:
71 Phụ tải là động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc (mã hiệu 215HP, 320KW, 400V, 1487RPM). Ban đầu (trƣớc thời điểm t=1.5s), đóng động cơ vào lƣới điện, cho momen cản trên đầu trục động cơ bằng 0; tại thời điểm t=1.5s, cho momen cản trên đầu trục động cơ =800(N.m); tại thời điểm t=1.9s, cho momen cản trên đầu trục động cơ =1600(N.m). Ta đƣợc các kết quả mô phỏng nhƣ hình 4.12. time(s) Hình 4.12: Kết quả mô phỏng khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 pha Từ kết quả mô phỏng cho thấy, khi momen cản trên đầu trục của động cơ thay đổi, công suất tác dụng và công suất phản kháng của động cơ tiêu thụ từ lƣới thay đổi phức tạp, dẫn đến các giá trị mong muốn (giá trị đặt) của công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát phát lên lƣới thay đổi theo. Tuy nhiên, từ kết quả mô phỏng cho thấy, công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát lên lƣới luôn bám theo các giá trị đặt. Để thấy đƣợc rõ hơn về khả năng bám các giá trị đặt của hệ thống, tác giả thực hiện lấy kết quả mô phỏng chi tiết hơn gồm: các giá trị đặt (70% công suất
72 phụ tải) và giá trị thực tế của công suất trên cùng một đồ thị, đƣợc thể hiện ở hình 4.13. Từ kết quả mô phỏng cho thấy, các đƣờng giá trị công suất thực tế của máy phát (P, Q) gần nhƣ trùng khớp với các đƣờng giá trị đặt của nó (70%PL; 70%QL). Ngoài ra, tại các thời điểm thay đổi momen cản trên đầu trục của phụ tải động cơ (t=1.5s; t=1.9s), các giá trị dòng điện tiêu thụ của động cơ (iL_abc) bị thay đổi nhanh và đột ngột, nhƣng dòng điện phát ra của máy phát 2 ( is_abc) cũng thay đổi nhanh và đột ngột theo. Nhƣ vậy, các dòng điện phát ra của máy phát đã thay đổi nhanh và kịp thời, đáp ứng tốt các yêu cầu tiêu thụ điện của phụ tải, góp phần đảm bảo tính ổn định lƣới điện. time(s) Hình 4.13: Kết quả mô phỏng khả năng điều khiển bám giá trị đặt của hệ thống khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3 pha Nhận xét và kết luận chƣơng 4 Trong chƣơng 4, tác giả đã phân tích và xác định đƣợc đối tƣợng điều khiển, xây dựng đƣợc các bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tƣợng. Kết quả đạt đƣợc là hệ thống phát điện đã đáp ứng đƣợc rất tốt các yêu cầu cấp điện trong chế độ hòa với lƣới nhƣ: Điện áp của máy phát luôn bám theo điện áp lƣới; công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát
73 luôn đáp ứng theo các giá trị mong muốn trong thời gian quá độ rất nhỏ và không có độ quá điều chỉnh; các dòng điện của máy phát lên lƣới thay đổi nhanh và kịp thời, đáp ứng tốt với các yêu cầu tiêu thụ điện của phụ tải tiêu thụ. Tóm lại, ƣu điểm của phƣơng pháp điều khiển DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor là phƣơng pháp có cấu trúc điều khiển đơn giản nhƣng chất lƣợng đạt đƣợc cao.
74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài là công trình khoa học đầu tiên về đề xuất cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu cảm ứng rotor. Phƣơng pháp điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor đã đơn giản hóa đƣợc cấu trúc điều khiển DFIG trong máy phát điện, phƣơng pháp cũng đã cách ly đƣợc 2 kênh điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng, 2 kênh này đƣợc điều khiển độc lập thông qua 2 hệ số trong 2 mạch khuếch đại tín hiệu lập trình đƣợc. Phƣơng pháp điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor cũng đã nâng cao khả năng bám điện áp lƣới “mềm” của máy phát trong điều kiện tốc độ thay đổi, nâng cao đƣợc độ ổn định và tính an toàn của lƣới điện. Kiến nghị Với những kết quả đạt đƣợc, đề tài đã nâng cao đƣợc hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát điện. Tuy nhiên để hoàn thiện hơn nữa, tác giả xin đề xuất một vài hƣớng nghiên cứu tiếp theo nhƣ sau: Nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor khi hòa với lƣới điện trong trƣờng hợp bị lỗi lƣới không đối xứng. Nghiên cứu điều khiển DFIG trên cơ sở kỹ thuật đồng dạng tín hiệu rotor ứng dụng trong trƣờng hợp nuôi phụ tải độc lập.
75 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA CỦA ĐỀ TÀI 1. “Excitation Control System of DFIG Connected to the Grid on the Basis of Similar Signals from Rotor”, The 10th IEEE International Conference on Mechatronics and Automation-IEEE-ICMA, 4-7th August, 2013 in Takamatsu, Japan, pp.738-742. (ISBN: 978-1-4673-5557-5, Indexed: SCOPUS, EI). 2. “The controller of DFIG power fed into the grid basing on the rotor similar signal method”, International Journal Applied Mechanics and Materials, Volumes 415- Automatic Control and Mechatronic Engineering II, pp.245-249. (ISSN: 1662-7482, Indexed: SCOPUS, ISI (ISTP), EI, IEE). (December, 2013)
76 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Tiến Ban (2011), “Xây dựng mô hình DFIG làm máy phát đồng trục dựa trên nguyên lý phẳng”, Tạp chí Khoa học và công nghệ Hàng hải tháng số 26, 04/2011, tr. 51-55. [2] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Tiến Ban (2012), “ Điều khiển DFIG làm chức năng máy phát đồng trục trong trạm phát điện tầu thủy dựa trên nguyên lý hệ phẳng”, Tạp chí Khoa học và công nghệ Hàng hải tháng số 29, 01/2012, tr. 41-46. [3] Thân Ngọc Hoàn (1995), Máy điện tầu thủy-tập 1, Nhà xuất bản giao thông vận tải. [4] Thân Ngọc Hoàn (2002), Mô phỏng hệ thống điện tử công suất và truyền động điện, Nhà xuất bản xây dựng. [5] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban (2008), Trạm phát và lưới điện tàu thủy, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [6] Đặng Danh Hoằng (2012), Cải thiện chất lượng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép dùng trong hệ thống phát điện chạy sức gió bằng phương pháp điều khiển phi tuyến, Đề tài tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên. [7] Nguyễn Thị Mai Hƣơng (2012), Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép, Đề tài tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên. [8] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc (2001), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [9] Nguyễn Phùng Quang (1998), “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh đảm bảo phân ly giữa mô men và hệ số công suất” tuyển tập VICA3, tr. 413-437. [10] Nguyễn Phùng Quang, Ditttrich A (2002), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội.