Tài liệu Luận văn mô hình hóa và điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép cho một hệ thống phát điện gió​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM ----------------------- TÔ THÀNH LẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM ----------------------- TÔ THÀNH LẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 19 tháng 11 năm 2017. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS TS. NGÔ CAO CƯỜNG Chủ tịch 2 TS. ĐINH HOÀNG BÁCH Phản biện 1 3 TS. NGUYỄN HÙNG Phản biện 2 4 PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU 5 PGS TS. LÊ CHÍ KIÊN Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS TS. NGÔ CAO CƯỜNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày tháng 04 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Tô Thành Lập Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/ 10/ 1990 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 15418300008 I- Tên đề tài: MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ. II- Nhiệm vụ và nội dung:  TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ  MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ  CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ  MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK MATLAB III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 10 năm 2016 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Tháng 04 năm 2017 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn TÔ THÀNH LẬP ii LỜI CẢM ƠN Việc nghiên cứu vấn đề cực đại công suất trong hệ thống điện gió vẫn còn khá mới mẻ đối với bản than và ở nước ta. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, bản thân tôi đã thu nhận được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu. Tuy chưa thể nói luận văn này là một công trình nghiên cứu đầy đủ và hoàn thiện về hệ thống điện gió, nhưng bản thân tôi nhận thấy luận văn cũng đạt được một số kết quả đáng ghi nhận. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi những ý kiến, đóng góp quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Những kiến thức đó đã tạo nền tảng vững chắc giúp tôi hoàn thành tốt luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn động viên, giúp đỡ, là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi có thể vượt qua những khó khăn trong thời gian học và làm luận văn. Sau cùng tôi cảm ơn những anh chị khóa học trước, những người bạn đã giúp đỡ và chia sẽ kinh nghiệm học tập, nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận văn. Tuy tôi đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn luận văn vẫn còn nhiều thiếu sót cần được điều chỉnh và bổ sung. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các quý thầy cô để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn. Học viên thực hiện Luận văn TÔ THÀNH LẬP iii TÓM TẮT Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên có tính thực tiễn cao. Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số. Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí – vốn hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng. Thủy điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam. Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Trong khi đó sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều. Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phíá rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điểm. Trong luận văn này, đề tài “Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ nguồn kép”. Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly – Fed Induction Generator). Có thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ cơ sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức. Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới. Tuy nhiên, cấu trúc iv ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống sự cố xảy ra trên lưới. Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh. Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn có thể gây ra dòng rất lớn. Trong luận văn này, tác giả xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống phong điện bằng Matlab/Simulink. v ABSTRACT Nowadays the need for generating electricity by wind force in Viet Nam is becoming highly realistic. The significantly growing need for electricity is combined with economic development and population growth. However, the explosion of electricity need is happening as soon as the oil, coal and gas sources provides over a half energy. Hydroelectric power is exploited and nearly hydraulic source in rivers of Vietnam is exhaustible. Solar power source is being studied and just provided with low power. The wave power and tide power are searching and commissioning. Meanwhile, wind power has not been exploited significantly. The Doubly – Fed Induction Generators have been used as electric generators run by wind power because they have controlling capacity of power indirectly by rotor instead of directly stator. The controller in rotor is designed one third as much as power of the whole generator, so its cost reduces one third down compared with other electric machines. Although it is controlled more complexibly, this gives an economical price especially when power expense is growing. There are a lot of study works for this in the world but they used classical controlling methods. In this thesis, the theme “Study and design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator”. Doubly – Fed Induction Generator (DFIG) is able to run with different speed areas: over synchronous speed and below basic speed even its speed can be down to 65% norm speed. When considering using DFIG as a coaxial generator instead of using classical synchronous generators with power electronic converters, it sees that DFIG has very remarkable strengths because its stator directly connected with network and its rotor connected with the network through a controllable power electronic component. The controller for DFIG is in rotor so its power is approximately one third of the power of the generator and power current flows from stator to the network. As mentioned above, this is more significant strength of DFIG than other generators with controller in stator and rotor. However, this structure makes DFIG more difficult to control especially in some problems happening in network. vi At that time, voltage in bus bar dropped suddenly makes flux magnet in generator oscillate, that causes induce electromotive force (IMF) in rotor resulting in over current. In this thesis, we design a model stimulating control system of Doubly – Fed Induction Generator in the discharge by of Matlab/Simulink. vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT ................................................................................................................v MỤC LỤC ................................................................................................................ vii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................x DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH .............................................................................. xi DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xiv MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. L DO CHỌN ĐỀ TÀI......................................................................................1 2. MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U .......................................3 4. KẾT UẢ D 5. KIẾN ........................................................................................3 NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................................5 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................6 GIỚI THIỆU TỔNG UAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ .............................6 1.1Tổng quan về năng lượng gió ............................................................................6 1.2 Sự hình thành gió ..............................................................................................7 1.3Sử dụng năng lượng gió để tạo ra điện ..............................................................8 1.4 Lợi ích của năng lượng gió .............................................................................10 1.5Tình hình sử dụng năng lượng điện gió của một số nước trên thế giới ...........11 1.6Tình hình cung cầu điện năng ở Việt Nam ......................................................13 1.7 Tiềm năng điện gió ở Việt Nam ......................................................................14 1.7.1 Vị trí địa lý ...............................................................................................14 1.7.2 Khí hậu.....................................................................................................14 1.7.3 Tiềm năng gió của Việt Nam ..................................................................14 1.7.4 Lượng gió theo từng mùa ........................................................................15 1.7.5 Tiềm năng gió ở một số vùng của Việt Nam ..........................................15 CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................18 MÔ HÌNH HÓA CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ............................................18 viii 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điện gió ............................................................21 2.2 Khí động học gió .............................................................................................24 2.3 Các loại cấu trúc của turbine gió .....................................................................25 2.4 Các bộ phận của tuabin gió .............................................................................27 2.4.1 Cánh quạt .................................................................................................27 2.4.2 Bộ truyền động .......................................................................................32 2.4.3 Máy phát ..................................................................................................35 2.5 Phương pháp điều khiển ..................................................................................36 2.5.1 Cấp điều khiển hiện trường ....................................................................36 2.5.2 Cấp điều khiển hệ thống ..........................................................................37 2.6 Các bộ chuyển đổi điện áp ..............................................................................38 2.6.1 Bộ chỉnh lưu [22] .....................................................................................38 2.6.2 Các bộ biến đổi DC-DC [19] ...................................................................42 2.6.2.1Bộ biến đổi giảm áp - Buck converter ..................................43 2.6.2.2 Bộ chuyển đổi Boost .........................................................................46 2.6.2.3Bộ biến đổi đảo áp – Buck - Boost converter .....................49 CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................52 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ .....................................52 3.1Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới .................................................................53 3.3Điều khiển điểm công suất cực đại ..................................................................57 3.3.1 MPPT cho hệ thống năng lượng gió .......................................................57 3.3.2 Điểm công suất cực đại...........................................................................59 3.3.3 Các phương pháp điều khiển MPPT ........................................................61 3.4Điều khiển góc pitch ........................................................................................63 3.5Các phép chuyển hệ tọa độ...............................................................................64 3.5.1 Chuyển đổi abc và αβ. .............................................................................64 3.5.2 Chuyển đổi αβ và dq. ...............................................................................66 3.6 Mô hình toán học của DFIG............................................................................67 3.6.1 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ αβ. ...........................................................67 3.6.2 Mô hình DFIG trên hệ tọa độ dq. ...........................................................68 3.7Vector không gian PWM .................................................................................70 ix CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................75 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK ..................................75 4.1Mô phỏng Grid -Side converter .......................................................................77 4.2 Mô phỏng Generator -Side converter ..............................................................85 4.3 Các phương pháp điều khiển DFIG ................................................................98 4.3.1 DFIG điều khiển tốc độ tuabin gió .........................................................98 4.3.2 Điều khiển DFIG .....................................................................................99 CHƯƠNG 5 ............................................................................................................108 KẾT LUẬN .............................................................................................................108 5.1 Kết quả đạt được ...........................................................................................108 5.2Những mặt còn hạn chế..................................................................................108 5.3 Hướng phát triển của đề tài ...........................................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................110 PHỤ LỤC x DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT P&O : Perturb & observe MPP : Maximum Power Point MPPT : Maximum Power Point Tracker DFIG : Doubly Fed Induction Generator INCond : Incremental Conductance FLC : Fuzzy logic controller IEA : International Energy Agency HAWT : Horizontal Axis Wind Turbine VAWT : Vertical Axis Wind Turbine BEM : blade element method NLG : Năng lượng gió CL Chỉnh lưu NL Nghịch lưu MPKĐBNK Máy điện không đồng bộ nguồn kép NLPL-NLDI Nghịch lưu phía lưới NLMF-NLFDI Nghịch lưu phía máy phát PĐSG Phát điện sức gió KĐB-RDQ Không đồng bộ Roto dây quấn ĐK Điều khiển MP Máy phát MFNK Máy phát nguồn kép xi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 - Cách gió được hình thành .........................................................................8 Hình 1. 2 - Cánh đồng gió ở Bình Thuận. ...................................................................9 Hình 1.3 - Bản đồ tiềm năng điện gió Việt Nam. Tốc độ trung bình năm tại độ cao 65m. ...........................................................................................................................15 Hình 2.1 - Mô hình tiêu biểu của trạm phát điện dùng năng lượng gió ....................18 Hình 2.2 - Các thành phần cơ bản của một tua bin gió .............................................18 Hình 2.3 - Đặc tuyến rotor quay quá tốc độ .............................................................19 Hình 2.4 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió .....................................................21 Hình 2. 5 - Sơ đồ khối của một hệ thống điện gió ....................................................21 Hình 2. 6 a - Turbine gió tốc độ cố định. ..................................................................22 Hình 2. 6 b - Turbine gió tốc độ thay đổi. .................................................................23 Hình 2. 7: Turbine gió tốc độ thay đổi. ....................................................................24 Hình 2.8 – Tuabin trục ngang (trái) và tuabin trục dọc (phải). .................................26 Hình 2. 9 - Tuabin ngược chiều gió (trái) và tuabin thuận chiều gió (phải). ............26 Hình 2. 10 - Khí động lực có thể được chia thành lực nâng và lực kéo [7]. .............27 Hình 2. 11- Mô hình BEM. .......................................................................................28 Hình 2.12 – Actuator model. .....................................................................................29 Hình 2. 13 – Sự khác biệt ở số lượng cánh quạt. ......................................................30 Hình 2. 14- Cp của các loại cánh quạt khác nhau của tuabin gió. ............................32 Hình 2.15 - Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện. .............................................................................................................32 Hình 2. 16 – Cấu tạo hộp số. .....................................................................................33 Hình 2. 17- Sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ nguồn kép. .........................36 Hình 2. 18– Các thành phần của hệ thống điều khiển hiện trường. ..........................37 Hình 2.19– Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. ....................................39 Hình 2. 20– Mạch chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển. .......................................40 Hình 2.21– Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. ......................................40 Hình 2.22– Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. ..........................................41 Hình 2.23– Mạch chỉnh lưu tia ba pha điểu khiển. ...................................................41 Hình 2.24– Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển. ...................................................42 xii Hình 2. 25 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck. .................................................43 Hình 2. 26– Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Boost. .................................................46 Hình 2. 27 – Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi Buck – Boost. ....................................49 Hình 3.1 - Hệ thống máy phát sức gió ......................................................................52 Hình 3.2 - Mạch điện phía lưới (a) và mô hình phía lưới(b) ....................................53 Hình 3.3 - Sơ đồ khối điều khiển phía lưới ...............................................................54 Hình 3.4 - Cấu trúc điều khiển phía lưới...................................................................55 Hình 3.5 - Sơ đồ khối điều khiển phía máy phát ......................................................55 Hình 3.6 - Cấu trúc điều khiển kinh điển phía máy phát .........................................56 Hình 3.7 - Góc pitch của cánh quạt gió.....................................................................57 Hình 3.8 - Sơ đồ nguyên lý điều khiển bám công suất đỉnh .....................................57 Hình 3.9 – Đặc tính cp – cho các góc pitch khác nhau. ......................................60 Hình 3.10 – Công suất turbine ở các tốc độ gió khác nhautại góc pitch = 0 ........60 Hình 3.11 - Xác định điểm MPP bằng phương pháp “leo đồi” [23]. ........................62 Hình 3.12 - Điều khiển góc picth .............................................................................64 Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa đại lượng abc và αβ ..................................................64 Hình 3.14 - Mối liên hệ giữa đại lượng trong hệ trục tọa độ αβ và dq .....................66 Hình 3.15 - Cấu hình kết nối stator và rotor, Y – Y..................................................67 Hình 3.16 - Mô hình lý tưởng của máy phát điện không đồng bộ ba pha ................68 Hình 3.17 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục αβ ............68 Hình 3.18 - Trục pha dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq ............................69 Hình 3.19 - Mạch điện tương đương mô hình động DFIG trong hệ trục độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ .............................................................................69 Hình 3.20 - Nguyên lý vector không gian .................................................................70 Hình 3.21 – Chỉnh lưu cầu ba pha.............................................................................72 Hình 3.22 – Các dạng sóng tải trở. ............................................................................73 Hình 3.23 – Thứ tự dẫn điện của các chỉnh lưu và khoảng dẫn. ...............................73 Hình 4. 1 - Mô phỏng hệ thống năng lượng gió trong Simulink Matlab. .................75 Hình 4. 2 – Tuabin gió trong Simulink Matlab. ........................................................76 Hình 4. 3 – Thông số tuabin gió. ...............................................................................76 Hình 4.4 – Mô hình điều khiển phía lưới ..................................................................77 Hình 4.5 - Khối gird ..................................................................................................78 xiii Hình 4.6 - Khối tuabin gió ........................................................................................79 Hình 4.7 - Thông số tuabin gió .................................................................................80 Hình 4.8 - Thông số tốc độ gió .................................................................................81 Hình 4.9 - Mô phỏng phía gird..................................................................................82 Hình 4.10 - Mô phỏng tuabin gió ..............................................................................83 Hình 4. 11 – Điều khiển phía máy phát khi chưa gắn tải ..........................................85 Hình 4. 12 – Khối wind farm ....................................................................................86 Hình 4. 13- Khối giám sát B25 .................................................................................86 Hình 4. 14– Cấu hình statcom ..................................................................................87 Hình 4. 15a – Tuabin gió...........................................................................................88 Hình 4.15b – Điện áp ngõ ra B25 .............................................................................89 Hình 4.15c – Điện áp ngõ ra Stacom ........................................................................90 Hình 4.16a – Điều khiển phía máy phát khi có gắn tải .............................................92 Hình 4.16b – Tải 3MW và 6MW cùng điện áp 25kV...............................................93 Hình 4.17a – Tuabin gió............................................................................................94 Hình 4.17b – Điện áp ngõ ra tại B25 ........................................................................95 Hình 4.17c – Điện áp ngõ ra của Stacom ..................................................................96 Hình 4. 18 a – Mô phỏng tốc độ gió cố định ............................................................98 Hình 4. 18 b –Mô phỏng tốc độ gió thay đổi ............................................................99 Hình 4.19a – Sơ đồ khối bộ điều khiển trực tiếp công suất DPC ...........................100 Hình 4. 19b – Bộ điều khiển DFIG .........................................................................101 Hình 4. 20 – Khối điều khiển PWM ......................................................................102 Hình 4. 21 - Khối điều khiển tín hiệu PWM ...........................................................102 Hình 4. 22 - Khối tải ...............................................................................................103 Hình 4.23 - Khối nghịch lưu và PWM 2 bậc ..........................................................103 Hình 4.24 - Khối nghịch lưu và PWM 3 bậc ..........................................................104 Hình 4.25 - Dòng ngõ ra 3 pha ................................................................................104 Hình 4.26 – Điện áp ngõ ra 3 pha ...........................................................................105 Hình 4.27 - Tín hiệu xung PWM điều khiển...........................................................107 xiv DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1. 1- Bảng phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới. ...............12 Bảng 1.2: Tiềm năng gió ở Việt Nam .......................................................................17 Bảng 3.1 - Tóm tắt giải thuật P&O [23]. ..................................................................62 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố đầu vào không thể thiếu được của hoạt động kinh tế. Ngày nay trữ lượng than, dầu, khí đang ngày càng cạn kiệt. Hiện nay nhu cầu phát điện chạy bằng sức gió ở Việt Nam ngày cảng trở nên có tính thực tiễn cao. Nhu cầu về điện năng đang tăng trưởng một cách mạnh mẽ cung với sự phát triển của nền kinh tế và sự tăng dân số. Nhưng sự bùng nổ về nhu cầu về điện này lại diễn ra đúng vào lúc nguồn năng lượng từ dầu, than và khí - vốn hiện tại cung cấp hơn một nửa năng lượng. Thủy điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam. Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và mới dừng lại ở công suất còn nhỏ, năng lượng sóng biển và thủy triều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Trong khi đó sức gió ở Việt Nam chưa được khai thác nhiều. Hiện nay ở Việt Nam có nhiều thuận lợi phát triển điện gió. Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất nên việc lắp ráp rẻ hơn cũng như việc điều khiển các máy phát điện gió được dễ dàng. ua đây, chúng ta nhận thấy rằng tình hình khai thác năng lượng gió chưa xứng tầm với tiềm năng gió Việt Nam hiện có, và việc khai thác tốt tiềm năng này để phục vụ cho n Máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép được ứng dụng làm máy phát điện chạy bằng sức gió, nhờ khả năng điều khiển dòng năng lượng gián tiếp từ phía rotor thay vì trực tiếp trên stator. Khi đó thiết bị điều khiển đặt ở phía rotor chỉ cần thiết kế bằng 1/3 công suất toàn bộ máy điện, cho phép hạ giá thành chỉ còn 1/3 so với các loại máy điện khác. Điều này rất hấp dẫn về mặt kinh tế, nhất là khi công suất các máy ngày càng tăng, mặc dù về phương pháp điều khiển có phần phức tạp. Trên thế giới có khá nhiều công trình nghiên cứu song chủ yếu theo các phương pháp điều khiển kinh điển. Trong luận văn này, đề tài " MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHO MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ " được nghiên cứu. 2 Máy phát cấp nguồn từ hai phía (DFIG: Doubly - Fed Induction Generator). Có thể làm việc với các vùng tốc độ khác nhau: trên tốc độ đồng bộ và dưới tốc độ cơ sở thậm chí là tốc độ máy lai có thể giảm đến 65% tốc độ định mức. Khi đặt vấn đề sử dụng DFIG làm máy phát đồng trục thay vì sử dụng các máy đồng bộ kinh điển kết hợp với bộ biến đổi điện tử công suất thấy rằng DFIG có những ưu điểm rất nổi bật là stator của DFIG được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất điều khiển được. Chính vì thiết bị điều khiển cho DFIG nằm ở rotor nên công suất thiết bị điều khiển chỉ xấp xỉ bằng 1/3 công suất máy phát và dòng năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới. Như đã trình bày ở trên, đây chính là ưu điểm vượt trội của DFIG so với các thiết bị máy phát khác có bộ điều khiển nằm giữa stator và lưới. Tuy nhiên, cấu trúc ấy lại khiến cho DFIG khó điều khiển hơn rất nhiều, đặc biệt là trong các tình huống sự cố xảy ra trên lưới. Khi có sự cố trên lưới điện, điện áp trên thanh cái sẽ bị sụt giảm đột ngột làm cho từ thông trong máy phát dao động rất mạnh. Từ thông này sẽ gây ra sức điện động cảm ứng đặt lên rotor và nếu trị số các sức điện động này lớn có thể gây ra dòng rất lớn. Luận văn này xây dựng mô hình hóa và mô phỏng điều khiển máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) trong hệ thống điện gió bằng Matlab/Simulink. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiều về gió và hệ thống phát điện gió. Tìm hiều về hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG và xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống. Nghiên cứu thuật toán điều khiển và mô phỏng máy phát không đồng bộ nguồn kép trong hệ thống điện gió. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển cho máy phát điện sức gió DFIG. Ý nghĩa khoa học của đề tài là đề xuất mô hình mới ứng dụng máy điện không bộ nguồn kép làm chức năng máy phát, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng máy điện không bộ nguồn kép trong máy phát điện. Đề tài đã giải quyết thành công cả về mặt lý thuyết lẫn mô hình mô phỏng.