Thạc Sĩ Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép – DFIG

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép – DFIG
Định dạng file word dài 103 trang

Mục Lục

Tóm tắt
Mục lục
Danh mục ký hiệu
Danh mục hình
Danh mục bảng
Chương 0: Mở Đầu

Đặt vấn đề
Giới thiệu đề tài
Phạm Vi Nghiên Cứu
Đối Tượng Nghiên Cứu
Phạm Vi Nghiên Cứu
Chương 1: Tổng Quan Về Năng Lượng Gió
Tổng Quan Về Năng Lượng Gió
Lịch Sử Phát Triển Năng Lượng Gió
Tình Hình Hiện Tại Và Triển Vọng Tương Lai
Tài Nguyên Năng Lượng Gió ở Việt Nam
Tiềm Năng Năng Lượng Gió Việt Nam
Các Dự Án Đang Đầu Tư Vào Việt Nam
Chương 2: Hệ Thống Chuyển Đổi Năng Lượng Gió
Giới thiệu
Cấu Tạo Hệ Thống Phát Điện Gió
Tháp Đỡ
Cánh Quạt Tuabin
Bộ Phận Điều Hướng
Bộ Phận Điều Khiển Tốc Độ
Các Loại Máy Phát Trong Hệ Thống Năng Lượng Gió
Máy Phát Điện Đồng Bộ
Máy Phát Điện Cảm ứng
Máy Phát Điện Cảm ứng Rotor Lồng Sóc
Máy Phát Điện Cảm ứng Rotor Dây Quấn
Máy Phát Điện Không Đồng Bộ Nguồn Kép (DFIG)
Các Cấu Hình Hệ Thống Chuyển Đổi Năng Lượng Gió
Hệ Thống Tuabin Gió Làm Việc Với Tốc Độ Không Đổi
Hệ Thống Tuabin Gió Làm Việc Với Tốc Độ Thay Đổi
Hệ Thống Máy Phát Điện Gió – DFIG
Chương 3: Mô Hình Toán Học Điều Khiển Máy Điện
Gió Không Đồng Bộ Nguồn Kép –DFIG
Giới thiệu
Vector Không Gian Và Các Phép Biến Đổi
Biểu Diễn Công Suất Theo Vector Không Gian
Mối Liên Hệ Giữa Các Hệ Trục abc, dq Va`
Mô Hình Toán Máy Phát Điện Gió DFIG
Mô Hình Toán Học DFIG Trong Hệ Trục Toạ Độ Tinh~
35.2. Mô Hình Toán Học DFIG Trong Hệ Trục Toạ Độ Đồng Bộ dq
Chương 4: Xây Dựng Giải Thuật Điều Khiển Máy Điện
Không Đồng Bộ Nguồn Kép – DFIG
Giới thiệu
Xây Dựng Bộ Điều Khiển Converter Phía Lưới
(Grid Side Control - GSC)
Xây Dựng Bộ Điều Khiển Converter Phía Rotor
(Rotor Side Converter –RSC) Theo Phương Pháp Sfoc
Xây Dựng Bộ Điều Khiển Converter Phía Rotor Theo
Phương Pháp Sfoc Với Bộ Seq
Nhận Xét Chung
Chương 5: Mô Hình & Mô Phỏng Hệ Thống
Điều Khiển Nguồn Kép – DFIG
Giới thiệu
Xây Dựng Mô Hình DFIG
Mô Hình Hệ Thống DFIG _SFOC
Mô Hình Điều Khiển DFIG Có Bộ Sequence Compents
Nhận xét chung
Chương 6: So Sánh DFIG_FOC & DFIG_FOC Có Seq
Khái Quát
So Sánh FOC-PI và FOC-PI có SEQ Khi
62.1 Nguồn 3 pha sụt áp đột ngột 10% pha A
62.2 Nguồn 3 pha sụt áp đột ngột 20% pha A
62.3 Nguồn 3 pha sụt áp đột ngột 30% pha A
63 Nhận Xét Chung
Chương 7: So Sánh Điều Khiển DFIG_Foc & ĐFIG_PC
Trên Mô Hình Máy Lý Tưởng
Mô Hình Điều Khiển DFIG Bằng Phương Pháp DPC
71.1. Mô Hình Điều Khiển DFIG Bằng Phương Pháp DPC
71.2 Mô Phỏng ĐFIG_PC trên matlapsimulink/
Mô Hình Điều Khiển DFIG Bằng Phương Pháp FOC
So Sánh Điều Khiển DFIG_FOC & DPC
So Sánh Điều Khiển DFIG_Foc Có Seq & Dpc
Khi Điện Áp Stator Đối Xứng
Khi Điện Áp Uas Giảm A 10%
74.3 Khi Điện Áp Uas Giảm A 20%
Chương 8: Kết Luận Và Các Đề Xuất
Kết luận
81.1 Luận văn đã nghiên cứu và tìm hiểu
81.2. Những nghiên cứu chưa xem xét trong luận văn
Định hướng phát triển đề tài
Tài liệu tham khảo

TÓM TẮT NỘI DUNG

Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép – DFIG, đang và đã là vấn đề
nóng trong điều khiển máy điện gió. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài
nước đã thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, khi nguồn mất đối xứng vẫn là bài toán
khó trong điều khiển DFIG. Xây dựng thuật giải và mô phỏng DFIG khi nguồn
mất đối xứng là trọng tâm của luận văn này. Trên nền cơ sở lý thuyết, lọc và khử
thành phần thứ tự nghịch khi nguồn. Từ kết quả mô phỏng, so sánh với các
phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu trước đề có cái nhìn tổng thể về
phương pháp DFIG_FOCSeq+.
Nội dung Luận văn thực hiện gồm 9 chương, được tóm tắt như sau:
Nội dung chương 0, 1, 2 khái quát về năng lượng gió và hệ thống chuyển đổi
năng lượng gió
Nội dung chương 3, 4 khái quát cơ bản về điều khiển DFIG và từ đó đưa mô
hình và giải thuật điều khiển DFIG
Nội dung chương 5, 6, 7 là Thực hiện mô phỏng trên matlapsimulink/ các mô
hình điều khiển DFIG_SFOC; DFIG_SFOCSEQ+; ĐFIG_PC và so sánh kết
quả
Cuối cùng là chương 8: Kết Luận Và Các Đề Xuất

ABSTRACT
Wind farm control Asynchronous dual source - DFIG, is and has been a
important issues in the wind farm control. The research projects in the country
and abroad have done so much. However, when the power loss of symmetry is a
difficult problem in the DFIG control. Construction algorithms and simulated
DFIG when the power loss symmetry is the focus of this thesis. On the basis of
the theory, filtration and disinfection components reverse order as the source.
From simulation results, comparison with other control methods have been
stuđie before to get an overview of DFIG_FOC + Seq method.
.
Thesis made content includes 9 chapters, are summarized as follows
Contents Chapter 0, 1, 2 an overview of wind energy conversion systems and
wind energy
.
Contents Chapter 3, 4 generalized basic DFIG control and from there to model
and control algorithm DFIG
.Contents of Chapter 5, 6, 7 Perform simulations matlap / simulink models
DFIG_SFOC control; DFIG_SFOC + SEQ; ĐFIG_PC and compare results
Finally, Chapter 8: Conclusion and Recommendations

01. Đặt vấn đề

Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố
không thể thiếu được của các hoạt động kinh tế. Khi mức sống của người dân càng
cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng
cũng ngày càng lọnVắ việc thoả mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với
hầu hết mọi quốc gia.
Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng (xét đến yếu tố bảo vệ
môi trường và tính kinh tế), những nguồn năng lượng sạch đã và đang được thế giới
quan tâm nhiều hơn, và là một trong những lựa chọn cho ngành năng lượng thay thế
trong tương lai. Nguồn năng lượng sạch đang được quan tâm như năng lượng gió,
năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng biển, năng lượng thuỷ
trieu Tát^` cả những loại năng lượng sạch này góp phần rất lớn vào việc thay đổi
cuộc sống nhân loại, cải thiện thiên nhiên, môi trường .
Trong chiến lược phát triển năng lượng của nhiều quốc gia có tiềm năng về Phong
điện, năng lượng gió được xem như là nguồn năng lượng sơ cấp vô hạn. Ưu điểm của
năng lượng gió là dễ khai thác, công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và chi phí vận
hành tương đối thấp. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh việc khai thác nguồn năng lượng
này trong tương lai, công nghệ phải ngày càng hoàn thiện, năng suất chuyển đổi gió
thành điện ngày càng cao.
02. Giới thiệu đề tài
Sự biến đổi năng lượng gió được thực hiện bởi tổ hợp tuabin gió và máy phát. Trong
thực tế, vận tốc gió luôn biến đổi nên hệ thống biến đổi năng lượng gió tốc độ thay
đổi được sử dụng rộng rãi. Phạm vi thay đổi tốc độ rộng cho phép điều khiển tối ưu
công suất nhận được từ gio,giám lực tác động lên kết cấu cơ khí và tăng khả năng
điều khiển công suất tác dụng vacồng suất phản kháng.
Đối với hệ thống biến đổi năng lượng gió làm việc ở tốc độ thay đổi, việc sử dụng
máy điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator – DFIG) là
phù hợp nhất trong thời điểm hiện tại. Ưu điểm nổi bật khi sử dụng DFIG là thiết bị
điện tử công suất chỉ biến đổi một tỷ lệ 20 - 30% của tổng công suất phát, nghĩa là
giảm được tổn hao trong linh kiện điện tử công suất so với cấu hình phải biến đổi
toàn bộ công suất phát như hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng máy phát đồng
bộ đồng thời giảm được chi phí đầu tư.
Hệ thống DFIG kết nối trực tiếp với lưới điện nên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng
điều khiển độc lập giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng để duy trì hệ số
công suất cũng như ổn định điện áp lưới trong giới hạn cho phép (góp phần nâng cao
chất lượng điện năng và độ tin cậy của hệ thống điện). Điều này có ý nghĩa quan
trọng hơn khi hệ thống biến đổi năng lượng gió kết nối với lưới điện thông qua các
đường dây dài. Do bản chất phi tuyến, điều khiển đối tượng DFIG phức tạp hơn
nhiều so với điều khiển động cơ không đồng bộ thông thường. Vì vậy mục tiêu của
đề tài này là: “ Điều khiển máy điện gió không đồng bộ nguồn kép – DFIG”.
03. Phạm vi nghiên cứu
03.1. Đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hoá và xây dựng giải thuật điều khiển máy
phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) được ứng
dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WECS (Wind Energy -
Conversion System).
03.2. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung vào các giải thuật điều khiển DFIG. Và ba giải thuật được trình
bày trong luận văn này là:
ã Điều khiển định hướng từ thông stator (Stator Flux Orient Control – SFOC)
với khâu điều chỉnh PI-anti_Winup
ã Điều khiển định hướng từ thông stator xem xét thêm thành thứ tự thuận nghịch
(Sequence Compensation)
ã So Sánh các mô hình điều khiển

11 Tổng quan về năng lượng gió
11.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió
Nỗ lực của con người trong việc khai thác năng lượng gió đã có từ thời cổ đại,
khi họ sử dụng thuyền và tàu di chuyển bằng sức gió. Sau đó, năng lượng gió phục
vụ con người làm hoạt động cối xay hạt và bơm nước. Trong suốt sự biến đổi từ
những dụng cụ thô sơ và nặng nề đến những máy phức tạp và hiệu quả, kỹ thuật đã
trải qua nhiều thời kỳ phát triển.
Đã có những tranh luận về khái niệm nguồn gốc của việc sử dụng gió cho cơ năng.
Một vài người tin rằng khái niệm này bắt nguồn từ người Babylon cổ đại. Vương
triều Hammurabi của người Babylon có kế hoạch sử dụng năng lượng gió cho
công trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng trong suốt thế kỷ XVII trước Công
Nguyên [2]. Một số khác lại cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là Ấn Độ. Trong
thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển bằng tiếng Phạn viết bởi Kautiliya suốt
thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo được dựa trên việc nâng mặt
nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió [4]. Tuy nhiên, không có ghi chép nào
chứng minh rằng những khái niệm trên biến đổi thành những thiết bị hiện nay.
Bản thiết kế của người Ba Tư sử dụng cối xay gió để xây hạt được tìm thấy khoảng
vào năm 200 trước Công Nguyên. Đó là những máy trục dọc có bản hứng gió được
làm từ những bó lau sậy hay những tấm gỗ. Những bản hứng gió này được gắn vào
cần trung tâm sử dụng thanh chống ngang. Kích thước của những bản hứng gió
được quyết định bởi các vật liệu sử dụng, thường thì là dài 5m và cao 9m[19.]
Vào thế kỷ XIII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu. Người Pháp thu nhập
kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh vào năm 1191 trước
Công Nguyên. Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, cối xay của
Châu Âu lại có trục ngang[19.]
Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, là những người đi tiên


TÀI LIỆU THAM KHẢO


[1]. Putnam PC (1948) Power from the wind. Van Nostrand, New York
[2]. Golding E (1976) The generation of electricity by wind power. Halste Press,
New York
[3]. Ramler JR, Donovan RM (1979) Wind turbines for electric utilities:
Development status and economics. DOENASÁ1028-79/23/, NASA TM-
79170, AIAA-79-0965
[4]. Sorensen B (1995) History of, and recent progress in, wind-energy utilization.
Annual Review of Energy and the Environment 201() : 387-424
[5]. Andreas petersson (2003) “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed
Induction Generators for Wind Turbines ,” Chalmers university of technology,
[6]. Nguyễn Văn Nhờ, 2005 “Điện tử công suất 1,” nhà xuất bản đại học Quốc Gia
TpHCM., 2005.
[7]. Tạ Văn Đa, 2006 “Đánh giá tài nguyên và khả năng khai thác năng lượng gió
trên lãnh thổ Việt Nam,” báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Bộ, Hà Nội 10-
2006
[8]. Phan Quốc Dũng ; 2006; ” Truyền động đien”^.; nhà xuất bản đại học Quốc Gia
TpHCM. 2006
[9]. Jeong –Ik Jang; 2006; “ Active and reactive power control of DFIG for wind
energy conversiob under unbalanced grid voltage” IEEE, 2006
[10]. Nguyễn Đức Trí, 2006; “Điều khiển động cơ không đồng bộ băng phương pháp
RFOCSFÓC và Fuzzy logic”; Luận văn Thạc Sĩ, ĐHBK TpHCM. 2006
[11]. Dawei Zhi, Lie Xu, 2007; “Direct Power Control of DFIG With Constant
Switching Frequency and Improved Transient Performance,” IEE transactions
on enegry conversion, vol22., no1., Match 2007
[12]. Murali MBaggụ, 2007; “ Implementation of a converter in sequence domain to
counter voltage imbalances” IEEE, 2007
[13]. Nguyễn Chí Hiếu, 2008; “Khảo sát mô hình nhà máy phát điện gió trong lưới
điện phân phoi,”^' luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM, 2008
[14]. Hee-Sang Ko, Gi-Gab Yoon, Won-Pyo Hong, 2008; “Active Use of DFIG-
Based
Variable-Speech
Wind-Turbine
for
Voltage
Regulation,”
IEE
transactions on industry applications, vol44., no6., NovemberDecember/ 2008.
[15]. Andrea Stefani, Amine Yazidi, Claudio Rossi, Fiorenzo Filippetti, Domenico
Cassadei, Gerard-Andre' Capolino, 2009; “Doubly Fed Industry machines
diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals,” IEEE
transactions on industry applications, vol45., no1., JanuaryFebruarý 2009.
[16]. Lingling Fan, 2009; “ Negative Sequence compensation techniques of DFIG-
based Wind energy systems under unbalanced” IEEE;
[17]. Yi Zhou, Paul Bauer, 2009; “operation of grid – connected dfig under
unbalabsed grid voltage condition” IEEE transaction on energy conversion vol
.24., No 1March. 2009
[18]. J. Hu, YHẹ ; (2009); “ Modeling and enhanced control of DFIG under
unbalanced grid voltage conditions” Electric power systems research 792009()
273-281
[19]. Võ Xuân Hải, 2009; ”Điều khiển định hướng từ thông máy phát điện gió không
đồng bộ nguồn kep”', luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM, 2009. Nghiên cứu điều
khiển tốc độ và công suất của DFIG
[20]. Dr. MIGUEL ANGEL RODRIGUEZ VIDAL, “Predictive Direct Control
Techniques of the Doubly Fed InducTion Machine for Wind Energy Generation
Applications”.
[21]. Sol- Bin Lee; Kyo-Beun Lee; 2010 “ An Improved Control Method for a
DFIG ib a wind turbine under an unbalanced grid voltage condition” journal of
electrical engrneering & technology vol5., No4.; pp. 614-622, 2010
[22]. Van-Tung Phan, 2010; “An Effective rotor current controller for unbalanced
stand – alone dfig systems in the rotor reference frame” Journal of power
electrionics, Vol10., No6., November
[23]. Lie Xu, Yi Wang “Dynamic Modeling and control of dfig – based wind
turbines under unbalanced network conditions” IEEE; 2007
[24]. Tôn Long Đại; “Điều khiển DFIG”, luận văn Thạc sĩ, ĐHBK TPHCM,2011.
Nghiên cứu điều khiển tốc độ và công suất của ĐFIG_PC
[25]. Pham Trung Hiếu; “Điều khiển DFIG”, luận văn Đại học, ĐHBK TPHCM,
2011. Nghiên cứu điều khiển tốc độ và công suất của DFIG với Fuzzy
[26]. Murali Mohan Baggu, 2009; “Advanced Control Techniques for Doubly Fed
Induction Generator – Based Wind Turbine Converters to Improve Low Voltage
Ride- Throught during System Imbalances”, điều khiển trực tiếp công suất tác
dụng và công suất phản kháng trong hệ thống không cân bằng.
[27]. TS. Vũ Thành Tự Anh; 2011; Đàm Quang Minh -Đại học Khoa học Tự nhiên
Hà Nội “Năng lượng gió của Việt Nam: Tiềm năng và triển vong”. trang
http://devi-renewablecóm2011/04/09/nang-luong-gio-vietnam-tiem-nạng- trien-vong
[28]. Nguyễn Quốc Khánh 42011/ “ thông tin vể năng lượng gió VN” Dự án năng
lượng Gió GIZMOÍT tháng 42011/

[29]. M. Wilch; “ Reactive Power Generation by DFIG Based Wind Farms with AC
Grid Connection” IEEE; wilch 2007