Tiến Sĩ Nâng cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng trục trên tàu thủy

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2014
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN . ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ . x
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN ĐỒNG TRỤC TRÊN
TẦU THỦY SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN DỊ BỘ NGUỒN KÉP VÀ CÁC CÔNG
TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN . 5
1.1 Khái quát hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy . 5
1.2 Các hệ thống phát điện đồng trục trong thực tế . 8
1.2.1 Các cách bố trí máy phát đồng trục để lấy cơ năng từ máy chính 8
1.2.2 Các cấu trúc phần điện của máy phát đồng trục 10
1.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển máy phát điện đồng trục sử dụng máy
điện dị bộ nguồn kép . 15
1.4 Tổng hợp các kết quả nghiên, ứng dụng DFIG trong hệ thống phát điện 16
1.4.1 Cấu trúc điều khiển tĩnh Scherbius . 17
1.4.2 Điều khiển vector không gian . 17
1.4.3 Điều khiển trực tiếp momen (direct torque control-DTC) 19
1.4.4 Điều khiển trực tiếp công suất (direct power control-DPC) . 19
1.4.5 Cấu trúc điều khiển DFIG không cảm biến . 20
1.4.6 Cấu trúc điều khiển DFIG không chổi than (Brushless- Doubly- Fed
Induction Generator- BDFIG) 21
1.5 Các vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp, mục tiêu của luận án . 21
1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án . 23
Nhận xét và kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHÁT ĐIỆN ĐỒNG TRỤC SỬ DỤNG
DFIG BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG DẠNG TÍN HIỆU ROTOR . 24
2.1 Các phương trình toán mô tả DFIG . 24
2.1.1 Những giả thiết cơ bản 24
2.1.2 Các phương trình ở hệ trục pha . 25
2.1.3 Phương trình biến đổi stator và rotor 26
2.1.4 Phương trình từ thông . 28
2.1.5 Phương trình momen . 30
2.1.6 Biểu diễn các phương trình của DFIG trên cơ sở vector không gian
của đại lượng 3 pha 31
2.2 Các cấu trúc ghép nối DFIG ứng dụng trong hệ thống phát điện 34
2.2.1 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG không chổi than 35
2.2.2 Cấu trúc phát điện sử dụng DFIG bằng kỹ thuật đồng dạng tín hiệu
rotor . 39
2.3 Mô hình toán hệ thống phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ thuật
đồng tín hiệu dạng rotor 41
2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động . 41
2.3.2 Mô hình toán DFIG1 và DFIG2 42
2.3.3 Mô hình hệ thống khi DFIG2 chưa hòa với lưới điện . 43
2.3.4 Mô hình hệ thống sau khi DFIG2 hòa với lưới điện . 49
2.3.5 Các ưu điểm của cấu trúc phát điện đồng trục sử dụng DFIG bằng kỹ
thuật động dạng tín hiệu rotor 52
2.4 Xác định tỷ số truyền của hộp số của máy phát đồng trục 53
2.4.1 Cấu tạo, chức năng của hộp số trong máy phát đồng trục . 53
2.4.2 Các dòng năng lượng qua máy phát . 54
2.4.3 Các thành phần công suất qua máy phát . 55
2.4.4 Hiệu suất chuyển đổi cơ năng sang điện năng 60
Nhận xét và kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT BẰNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TÍNH ĐÚNG
ĐẮN CỦA HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT 65
3.1 Mở đầu 65
3.2 Các khâu chức năng trong hệ thống 65
3.3 Xây dựng mô hình hệ thống 67
3.4 Cách chỉnh định và vận hành hệ thống 72
3.4.1 Chỉnh định hệ thống khi stator của DFIG2 chưa nối với lưới . 72
3.4.2 Vận hành hệ thống sau khi stator của DFIG2 nối với lưới 72
3.5 Mô phỏng các đặc tính của các khâu trong hệ thống 72
3.5.1 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện chưa hòa với lưới . 72
3.5.2 Các kết quả mô phỏng khi hệ thống phát điện hòa với lưới 77
Nhận xét và kết luận chương 3 81
CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT DỊ BỘ
NGUỒN KÉP LÀM VIỆC Ở TRẠM PHÁT ĐỒNG TRỤC TẦU THỦY 83
4.1 Mở đầu 83
4.2 Xác định cấu trúc đối tượng điều khiển 83
4.3 Thiết kế bộ điều khiển . 86
4.3.1 Khái quát về hệ thống điều khiển mờ 87
4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định mờ để điều khiển đối tượng 88
4.4 Phân chia tải hệ thống phát điện đồng trục với lưới điện tầu thủy 95
Nhận xét và kết luận chương 4 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100
Kết luận . 100
Kiến nghị . 100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN . 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
Tiếng việt 103
Tiếng anh . 104

MỞ ĐẦU
Giới thiệu tóm tắt luận án
Luận án đi sâu nghiên cứu hệ thống phát điện đồng trục trên tầu thủy, đặc
biệt là hệ thống phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép, để đưa
ra giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất điện năng, góp phần giảm tiêu thụ nhiên
liệu và giảm chi phí vận hành trên tầu thủy. Cụ thể, nội dung của luận án gồm 4
chương:
- Chương 1: Trình bầy tổng quan về máy phát điện đồng trục trên tầu
thủy và các ưu nhược điểm của nó, các cấu trúc phần cơ và phần điện của các
máy phát đồng trục trong thực tế. Từ đó lựa chọn giải pháp hiệu quả nhất là sử
dụng máy điện dị bộ nguồn kép, phân tích các công trình nghiên cứu liên quan
về điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống phát điện. Đề xuất
phương hướng giải quyết để nâng cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn
kép trong máy phát đồng trục trên tầu thủy.
- Chương 2: Trình bầy đề xuất, cơ sở khoa học và mô hình toán của cấu
trúc hệ thống phát điện đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở
thuật đồng dạng tín hiệu rotor, chứng minh và chỉ ra các ưu điểm của cấu trúc
mới đề xuất. Đồng thời, trong chương 2 cũng nghiên cứu, đề xuất xác định tỷ lệ
truyền của hộp số của máy phát đồng trục để hiệu suất chuyển đổi năng lượng
cao nhất.
- Chương 3: Xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng hệ thống trên
phần mềm Matlab để kiểm chứng các kết quả thu được ở chương 2. Đồng thời
đưa ra cách thức chỉnh định và vận hành hệ thống. Từ đó phân tích sâu hơn và
khẳng định thêm các ưu điểm của cấu trúc mới đề xuất.
- Chương 4: Thiết lập hệ thống điều khiển hệ thống phát điện đồng trục
sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép trên cơ sở thuật đồng dạng tín hiệu rotor.
Kết luận và một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, trên tầu thủy trạm phát điện luôn hướng tới khả năng khai thác
tối ưu trong hành trình trên biển để giảm tiêu hao năng lượng, giảm thiểu tiếng
ồn, giảm ô nhiễm môi trường, tránh tác động xấu tới con người cũng như thiên
nhiên. Khi đi trên biển, trong môi trường ổn định về khí hậu và thời tiết, các
động cơ chính lai chân vịt tầu thủy thường khai thác không hết công suất, để tận
dụng sự dư thừa công suất này, các tầu trọng tải lớn thường được thiết kế có các
máy phát điện đồng trục cùng làm việc với các cụm diesel–máy phát.
Nguồn điện cần thiết cho tầu thủy trong chế độ hành trình thường chỉ
chiếm từ 5-10% công suất của máy chính.Vì thế, các tầu có thiết kế máy phát
đồng trục đã tận dụng được cơ năng của máy chính để tiết kiệm nhiên liệu, tiết
kiệm thời gian hoạt động của các diesel lai máy phát điện, giảm suất tiêu hao
vật tư, phụ tùng, nâng cao tuổi thọ của trạm phát điện tầu thủy. Đặc biệt, chi phí
sản xuất một đơn vị điện năng bằng máy phát đồng trục chỉ bằng 50% chi phí
khi ta sử dụng cơ năng của hệ diesel-máy phát độc lập.
Tuy nhiên, khi hệ thống trạm phát có thêm máy phát đồng trục đã làm
phức tạp thêm hệ thống điện năng trên tầu thủy, đặt ra các vấn đề kỹ thuật phải
hoàn thiện. Một trong những vấn đề kỹ thuật phức tạp nhất là việc ổn định tần
số và ổn định điện áp của máy phát khi tốc độ quay của máy chính thay đổi
trong hành trình, một trong những giải pháp kỹ thuật hiệu quả là sử dụng máy
điện dị bộ nguồn kép làm việc ở chế độ máy phát.
Máy điện dị bộ nguồn kép trong hệ thống máy phát đồng trục có ưu điểm
nổi bật là stator 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 nằm ở rotor
nên công suất thiết bị điều khiển nhỏ hơn rất nhiều công suất máy phát và dòng
năng lượng thu được chảy trực tiếp từ stator sang lưới, 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.
Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp
nâng cao hiệu quả máy phát đồng trục sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép là rất
cần thiết cho các tàu thủy hiện đại ngày nay, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nâng
cao hiệu quả sử dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ thống phát điện đồng
trục trên tàu thủy” để thực hiện luận án của mình.
Mục đích nghiên cứu
Việc áp dụng máy điện dị bộ nguồn kép cho hệ phát điện đồng trục trên
tầu thủy phải đảm bảo được 2 chế độ công tác: 1. Làm việc song song được với
lưới “mềm” tầu thủy; 2. Làm việc độc lập khi cần thiết. Trong luận án tác giả đi
sâu vào khả năng làm việc song song với lưới điện tầu thủy bằng đề xuất một
cấu trúc mới với hệ điều khiển đơn giản, chất lượng cao, khả năng bám lưới
“mềm” bền vững. Làm việc độc lập của máy phát đồng trục theo cấu trúc của
tác giả không quá khó nhưng là vấn đề cần nghiên cứu sâu để đề ra một giải
pháp hợp lý về kinh tế và kỹ thuật, tác giả dành cho một nghiên cứu khác.
Cũng trong luận án, tác giả cũng nghiên cứu khảo sát mối liên hệ giữa
các thành phần công suất, từ đó xác định được tỉ lệ truyền của hộp số của máy
phát đồng trục để hiệu suất chuyển đổi từ cơ năng sang điện năng cao nhất.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là máy phát đồng trục trên tầu thủy 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 đồng trục trên tầu thủy.
- Cấu trúc điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong máy phát đồng
trục.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu máy phát đồng trục làm
việc trong chế độ hòa với lưới điện “mềm” trên tầu thủy.