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
than
21
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
khiển PID
63
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
tọa độ αβ và dq
17
2.3
Cấu trúc ghép nối DFIG với bộ biến đổi công suất ở
phía stator
20
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
đồng dạng tín hiệu rotor
24
2.8
Cấu trúc hệ thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ
thuật đồng dạng tín hiệu rotor
26
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
29
2.10
Sơ đồ khối khâu tạo
f
r
i
0
2
32
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
32
2.12
Đồ thị vector quá trình tạo các thành phần dòng điện
rotor DFIG2
33
2.13
Vector dòng điện và điện áp stator DFIG2 trên tọa độ
tựa theo điện áp lƣới
35
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
37
3.1
Sơ đồ khối hê thống phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ
thuật đồng dạng tín hiệu rotor
39
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
rotor ɷ thay đổi
49
3.9
Đáp ứng của hệ thống phát điện chƣa hòa lƣới khi sụt
điện áp lƣới
50
3.10
Đáp ứng hệ thống phát điện hòa lƣới khi GP và GQ thay
đổi
52
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
chỉnh định mờ
60
4.4
Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
61
4.5
Hệ thống điều khiển các thành phần công suất bằng bộ
điều khiển PID chỉnh định mờ
61
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
chỉnh định mờ
66
4.9
Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID
chỉnh định
67
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
phát với lƣới
69
4.12
Kết quả mô phỏng khi phụ tải là động cơ xoay chiều 3
pha
70
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
71
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
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 = ; dt/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]:
sc
sb
sa
sc
sb
sa
s
s
s
s
sc
sb
sa
s
dt
d
i
i
i
R
dt
d
I
R
u
u
u
U
)
1
.
2
(
rc
rb
ra
rc
rb
ra
r
r
r
r
rc
rb
ra
r
dt
d
i
i
i
R
dt
d
I
R
u
u
u
U
)
2
.
2
(
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 :
rc
rb
ra
sr
sc
sb
sa
ss
sc
sb
sa
s
i
i
i
M
i
i
i
L
)
3
.
2
(
và
rc
rb
ra
rr
sc
sb
sa
rs
rc
rb
ra
r
i
i
i
L
i
i
i
M
)
4
.
2
(
Các ma trận [Rs], [Rr], [Lss], [Lrr], [Msr], [Mrs] nhƣ sau:
12
s
s
s
s
R
R
R
R
0
0
0
0
0
0
r
r
r
r
R
R
R
R
0
0
0
0
0
0
s
s
s
s
s
s
s
s
s
ss
L
M
M
M
L
M
M
M
L
L
r
r
r
r
r
r
r
r
r
rr
L
M
M
M
L
M
M
M
L
L
T
CCr
CBr
CAr
BCr
BBr
BAr
ACr
ABr
AAr
T
sr
rs
M
M
M
M
L
M
M
M
M
M
M
Hay
T
m
T
sr
rs
os
c
os
c
M
M
M
cos
)
3
2
(
)
3
2
cos(
)
3
2
cos(
cos
)
3
2
cos(
)
3
2
(
)
3
2
cos(
cos
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
1
2
1
2
1
)
3
2
sin(
)
3
2
sin(
sin
)
3
2
(
)
3
2
cos(
cos
3
2
t
t
t
t
t
t
pt
os
c
A
)
5
.
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
0
0
t
t
t
t
dt
)
6
.
2
(
0
0
t
dt
)
7
.
2
(
Ma trận nghịch đảo của các ma trận biến đổi nhƣ sau:
1
)
3
2
sin(
)
3
2
(
1
)
3
2
sin(
)
3
2
(
1
sin
cos
1
t
t
t
t
t
t
pt
os
c
os
c
A
)
8
.
2
(
1
)
3
2
sin(
)
3
2
(
1
)
3
2
sin(
)
3
2
(
1
)
sin(
)
cos(
1
t
t
t
t
t
t
ptr
os
c
os
c
A
)
9
.
2
(
Vậy các phƣơng trình biến đổi nhƣ sau:
T
sc
sb
sa
pt
s
pt
T
s
sq
sd
s
u
u
u
A
U
A
u
u
u
U
0
‘
)
10
.
2
(
T
sc
sb
sa
pt
s
pt
T
s
sq
sd
s
i
i
i
A
I
A
i
i
i
I
0
‘
)
11
.
2
(
T
sc
sb
sa
pt
s
pt
T
s
sq
sd
s
A
A
0
‘
)
12
.
2
(
T
rc
rb
ra
ptr
r
ptr
T
r
rq
rd
r
u
u
u
A
U
A
u
u
u
U
0
‘
)
13
.
2
(
T
rc
rb
ra
ptr
r
ptr
T
r
rq
rd
r
i
i
i
A
I
A
i
i
i
I
0
‘
)
14
.
2
(
T
rc
rb
ra
ptr
r
ptr
T
r
rq
rd
r
A
A
0
‘
)
15
.
2
(
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:
s
pt
s
s
s
s
s
pt
s
pt
s
s
s
pt
s
s
pt
s
pt
s
A
p
p
I
R
U
A
p
A
p
I
R
p
A
I
R
A
U
A
U
‘
‘
‘
‘
‘
)
16
.
2
(
r
ptr
r
ptr
r
r
r
ptr
r
r
ptr
r
ptr
r
A
p
A
p
I
R
p
A
I
R
A
U
A
U
‘
‘
r
ptr
r
r
r
r
A
p
p
I
R
U
‘
‘
‘
)
17
.
2
(
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:
t
T
s
sq
sd
T
s
sq
sd
T
s
sq
sd
s
T
s
sq
sd
p
p
i
i
i
R
u
u
u
0
0
0
0
)
18
.
2
(
)
(
0
0
0
0
t
T
rd
rq
T
r
rq
rd
T
r
rq
rd
r
T
r
rq
rd
p
p
i
i
i
R
u
u
u
)
19
.
2
(
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]:
]
][
][
[
]
][
][
[
]
][
[
]
[
‘
r
sr
pt
s
ss
pt
s
pt
s
I
M
A
I
L
A
A
)
20
.
2
(
]
][
][
[
]
][
][
[
]
][
[
]
[
‘
s
rs
ptr
r
r
ptr
r
ptr
r
I
M
A
I
L
A
A
)
21
.
2
(
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
nghịch đảo của ma trận biến đổi
1
1
]
[
,
]
[
ptr
pt
A
A
, ta có:
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
‘
1
‘
1
‘
1
s
pt
s
s
pt
s
s
pt
s
A
I
A
I
U
A
U
)
,
,
.
22
.
2
(
c
b
a
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
‘
1
‘
1
‘
1
r
ptr
r
r
ptr
r
r
ptr
r
A
I
A
I
U
A
U
)
,
,
.
23
.
2
(
c
b
a
Thay vào phƣơng trình (2.20) và (2.21) có đƣợc:
]
[
]
][
][
[
]
[
]
][
][
[
]
[
‘
1
‘
1
‘
r
ptr
sr
pt
s
pt
ss
pt
s
I
A
M
A
I
A
L
A
)
24
.
2
(
]
[
]
][
][
[
]
[
]
][
][
[
]
[
‘
1
‘
1
‘
s
pt
rs
ptr
r
ptr
rr
ptr
r
I
A
M
A
I
A
L
A
)
25
.
2
(
Ở biểu thức (2.24), đứng trƣớc ma trận dòng là ma trận biến đổi tự cảm
và cảm ứng tƣơng hỗ:
1
‘
]
][
][
[
]
[
pt
ss
pt
ss
A
L
A
L
)
26
.
2
(
1
‘
]
][
][
[
]
[
ptr
sr
pt
sr
A
M
A
M
)
27
.
2
(
Kết quả nhân ma trận vế phải (2.26) và (2.27) ta đƣợc:
15
0
0
‘
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
]
[
X
X
X
L
L
L
L
s
ss
)
28
.
2
(
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
3
‘
sr
s
sr
m
sr
X
M
M
M
)
29
.
2
(
Trong đó:
)
(
s
s
d
q
M
L
L
L
L
là hệ số tự cảm của thành phần thuận stator.
s
s
M
L
L
2
0
là hệ số tự cảm của thành phần zero.
2
/
3
m
srq
srd
sr
M
M
M
M
là hệ số cảm ứng tƣơng hỗ 3 pha giữa stator và
rotor.
Vậy biểu thức cho từ thông stator đƣợc viết nhƣ sau:
T
rq
rd
sr
T
s
sq
sd
ss
r
sr
s
ss
s
i
i
M
i
i
i
L
I
M
I
L
0
‘
0
‘
‘
‘
‘
‘
‘
)
30
.
2
(
Tổng hợp lại ta có các phƣơng trình của điện áp và từ thông ở stator nhƣ
sau:
sd
sd
s
t
sq
sd
u
i
R
p
p
.
.
)
31
.
2
(
sq
sq
s
t
sd
sq
u
i
R
p
p
.
)
32
.
2
(
0
0
0
.
s
s
s
s
u
i
R
p
)
33
.
2
(
rd
sr
sd
s
s
rd
sr
sd
s
sd
i
X
i
X
i
M
i
L
.
.
1
.
.
)
34
.
2
(
rq
sr
sq
s
s
rq
sr
sq
s
sq
i
X
i
X
i
M
i
L
.
.
1
.
.
)
35
.
2
(
0
0
0
0
0
.
1
.
s
s
s
s
s
s
i
X
i
L
)
36
.
2
(
Tƣơng tự nhƣ trên, ta có biểu thức cho từ thông rotor:
T
sq
sd
rs
T
r
rq
rd
rr
r
rr
s
rs
r
i
i
M
i
i
i
L
I
L
I
M
0
]
[
‘
0
‘
‘
‘
‘
‘
‘
)
37
.
2
(
Trong đó:
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
3
‘
rs
s
rs
m
rs
X
M
M
M
