"Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG."

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA LƯỚI CHO

MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN

CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số:

Học viên: DƯƠNG QUỐC HƯNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

DUYỆT BAN KHOA ĐT NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN

GIÁM HIỆU SAU ĐẠI HỌC DẪN

PGS.TS. Lại Khắc Lãi Dương Quốc Hưng

THÁI NGUYÊN - 2011

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Lời cam đoan............................................................................................................-4-

Lời cảm ơn ...............................................................................................................-5-

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ......................................................................-6-

Danh mục các bảng .................................................................................................-8-

Danh mục các hình vẽ và đồ thị...............................................................................-9-

MỞ ĐẦU ...............................................................................................................-14-

1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................-14-

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn................................................-14-

3. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu......................................................-15-

4. Kết cấu của luận văn.............................................................................-15-

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ

NGOÀI NƢỚC .....................................................................................................-16-

1.1. Tổng quan ...........................................................................................-16-

1.1.1. Đặt vấn đề ..............................................................................-16-

1.1.2. Năng lượng gió ......................................................................-16-

1.1.3. Vài nét về trạm phong điện....................................................-18-

1.2. Máy phát điện sức gió (Phong điện).................................................-19-

1.2.1. Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng gió...............................-19-

1.2.2. Cấu tạo của tuabin phong điện...............................................-21-

1.2.3. Nguyên lý làm việc của phong điện.......................................-23-

1.3. Khái quát về hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm

ứng nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)...............................-26-

1.3.1. Một số hệ thống máy phát điện sức gió thông dụng..............-26-

1.3.2. Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện DFIG ............-28-

1.4. Kết luận chƣơng 1 .............................................................................-29-

CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP........................................-30-

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1. Máy điện cảm ứng nguồn kép...........................................................-30-

2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát điện.................-30-

2.1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG..............................-32-

2.1.3. Công suất của DFIG...............................................................-35-

2.1.4. Véctơ không gian...................................................................-36-

2.1.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong véctơ không

gian ..........................................................................................................-37-

2.2. Mô tả toán học hệ thống DFIG .........................................................-37-

2.2.1. Mô tả toán học máy điện DFIG .............................................-38-

2.2.2. Mô tả toán học bộ lọc phía lưới .............................................-39-

2.2.3. Mô tả toán học bộ DC – Link ................................................-40-

2.2.4. Mô tả toán học bộ Grid Side Converter (GSC) .....................-41-

2.2.5. Mô tả toán học bộ Machine Side Converter (MSC)..............-41-

2.3. Từ trƣờng trong hệ thống DFIG ......................................................-42-

2.3.1. Từ trường của stato ................................................................-42-

2.3.2. Từ trường của lưới .................................................................-42-

2.4. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................-43-

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC

GIÓ DÙNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP........................................-44-

3.1. Tìm hiểu một số phƣơng pháp điều khiển máy phát điện sức gió.-44-

3.1.1. Phương pháp điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng máy

điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu................................................................-44-

3.1.2. Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ................-49-

3.2. Lý thuyết về điều khiển PID .............................................................-50-

3.2.1. Đặt vấn đề ..............................................................................-50-

3.2.2. Lý thuyết về điều khiển PID..................................................-51-

3.2.3. Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID......................-55-

3.2.4. Các hạn chế của điều khiển PID ............................................-57-

3.2.5. Ký hiệu thay thế và các dạng PID..........................................-58-

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phát điện sức gió sử dụng máy

điện cảm ứng DFIG..............................................................................................-60-

3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát (MSC)........................-61-

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phía lưới (GSC).................................-64-

3.4. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................-67-

CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB – SIMULINK –

PLECS VÀ KẾT LUẬN ......................................................................................-69-

4.1. Giới thiệu công cụ Matlab – Simulink – Plecs.................................-69-

4.2. Mô phỏng hệ thống máy phát điện sức gió DFIG sử dụng công cụ

Matlab – Simulink – Plecs...................................................................................-75-

4.2.1. Các tham số dùng cho mô phỏng ..........................................-75-

4.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống ..............................-75-

4.2.3. Xây dựng khối PLECS Circuit (DFIG) .................................-77-

4.2.4. Xây dựng các khối điều khiển phía máy phát (MSC)............-81-

4.2.5. Xây dựng các khối điều khiển phía lưới (GSC) ....................-84-

4.3. Kết quả mô phỏng..............................................................................-86-

4.3.1. Khởi tạo quá trình mô phỏng .................................................-86-

4.3.2. Kết quả mô phỏng..................................................................-89-

4.4. Kết luận và kiến nghị.........................................................................-96-

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................-97-

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Dƣơng Quốc Hƣng

Sinh ngày 30 tháng 7 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật

Công nghiệp Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Thái Nguyên.

Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện

sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” do thầy giáo PGS.TS Lại

Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham

khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn

toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu

sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2011

Tác giả luận văn

Dƣơng Quốc Hƣng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 5 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ

và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn

với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng

máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG” đã hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn này.

Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập

cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động

viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn.

Tác giả luận văn

Dƣơng Quốc Hƣng

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:

Us (stator voltage): Điện áp Stato

Rs (stator resistance): Điện trở Stato

Ur (rotor voltage): Điện áp Roto

Rr ( rotor resistance): Điện trở Roto

Is (stator current): Dòng điện Stato

Rm (magnetizing resistance): Điện trở từ hoá

Ir (rotor current): Dòng điện Roto

Lsλ (stator leakage inductance): Điện cảm Stato

IRm (magnetizing resistance current): Dòng điện từ hoá

Lrλ (rotor leakage inductance): Điện cảm Roto

Ψs (stator flux): Từ trường Stato

ΨR (rotor flux): Từ trường Roto

ω1 (stator frequency): Tần số dòng điện Stato

Lm (magnetizing inductance): Điện cảm từ hoá

s (slip): Độ trượt

LM: Điện cảm từ hoá

Lσ ≈ Lsλ + Lrλ : Điện cảm khe hở

np: Số đôi cực từ của máy phát

J: Mômen quán tính

Ts

: Mômen trên trục của máy phát

r

là tần số góc của Roto

2 là tần số trượt

Tm: Mômen cơ khí

Te

: Mômen điện từ

Ps

: Công suất tác dụng Stato

Pr

: Công suất tác dụng Roto

Qs

: Công suất phản kháng Stato

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Qr

: Công suất phản kháng Roto

Ploss

: Tổn thất công suất

Pmech: Công suất từ hoá

, , , rd rq sd sq u u u u

Các thành phần điện áp rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

, , , rd rq sd sq i i i i

Các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ tọa độ dq

,  r s

Các thành phần véctor từ thông rotor, stator

,  sd sq

Các thành phần từ thông stator thuộc hệ tọa độ dq

Chữ viết tắt

NLG Năng lượng gió

CL Chỉnh lưu

NL Nghịch lưu

ĐCĐB - KTVC Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ nguồn kép

MĐĐB - KTVC Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

NLPL - NLDI Nghịch lưu phía lưới

NLMF - NLFDI Nghịch lưu phía máy phát

PĐSG Phát điện sức gió

DFIG Doubly-Fed Induction Generator

AVR Automatic Voltage Regulator

GSC Grid Side Converter

MSC Machine Side Converter

ĐKCTĐ điều khiển chuyển toạ độ trạng thái

KĐB-RLS Không đồng bộ Roto lồng sóc

KĐB-RDQ Không đồng bộ Roto dây quấn

ĐK Điều khiển

MP Máy phát

G Grid

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 8 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tên bảng Trang

Bảng 2.1 Một số tham số tiêu biểu của một số máy phát DFIG 34

Bảng 3.1 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh 55

Bảng 3.2 Tác động của việc tăng một thông số độc lập 56

Bảng 3.3 Phương pháp Ziegler–Nichols 56

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - 9 - Chuyên ngành Tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình Tên hình Trang

Hình 1.1 Hệ thống nối lưới nguồn năng lượng sạch 20

Hình 1.2

Bộ nghịch lưu 20

Hình 1.3

Bộ đóng cắt mềm 20

Hình 1.4

Cấu tạo phong điện tua bin gió trục ngang 21

Hình 1.5

Cấu tạo bên trong của một số tuabin gió trong thực tế 22

Hình 1.6 Một trạm phong điện trong thực tế 22

Hình 1.7

Hệ thống kích thích xoay chiều 23

Hình 1.8

Tuabin gió với tốc độ cố định 26

Hình 1.9

Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực

tiếp giữa stator và lưới

27

Hình 1.10 Tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép 27

Hình 1.11 Mô hình hệ thống máy phát điện sức gió DFIG 28

Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển dòng rotor bằng các bộ biến đổi 29

Hình 1.13

Hệ thống máy phát DFIG với bộ Back-to-Back

Converter

29

Hình 2.1 Cấu tạo của phát điện không đồng bộ 30

Hình 2.2 Stato của phát điện không đồng bộ 30

Hình 2.3 Đấu hình sao và đấu hình tam giác Stato của máy phát 31

Hình 2.4

Máy phát điện 32

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG 33

Hình 2.6 Năng lượng trong hệ DFIG khi bỏ qua tổn thất 35