Thạc Sĩ Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụn

Luận án tiến sĩ năm 2012
Đề tài: Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép
Định dạng file word

Cấu trúc luận án
Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và các
đặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấn
mạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược về
các phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiển
passivity-based. Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong
vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần
cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của
hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên
cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ
thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối
xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng
được trình bày chi tiết trong chương 3.
Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và
các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện
sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không
đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector
điện áp lưới dq . Trên cơ sở các mô hình toán đã có đ ể xây dựng cấu trúc điều khiển
phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp
passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa
đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện
cụ thể. Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía
lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat.
Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới
thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi sập lưới. Tác hại của việc sập lưới
đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió. Phần tiếp
theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ
bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới. Các đóng
góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các
trạng thái lỗi lưới khác nhau. Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo
dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu. Từ
đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng. Phần cuối cùng
của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đối
xứng. Đây c ũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài. Phần cuối của chương 3
đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép. Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ
điều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới có
dạng hình sin hơn khi làm vi ệc với các tải phi tuyến. Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới
không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ
trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha.
Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòa
đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm
việc bình thư ờng cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả
năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực. Trọng tâm của chương 4
dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới đối
xứng và không đối xứng. Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp. Trường
hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không
áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá
được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ
thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới. Trường hợp thứ hai
là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới. Từ các kết quả nghiên
cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so
sánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới.
Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị.

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượng
điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng
truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện . là các dạng năng lượng đang ngày càng cạn
kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai thác từ
các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn.
Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió,
năng lượng mặt trời . là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới. Tuy
nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được
thực hiện với công suất nhỏ. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang
ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu.
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng
máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm
giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3
công suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong
một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử
dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích v ĩnh cửu với
bộ biến đổi đặt ở phía stator.
Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu khắt khe
hơn về chất lượng nguồn điện. Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó
có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong
tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng ph ải đảm bảo các yêu cầu chất
lượng đề ra. Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì vấn đề
trụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết. Đặc biệt, khi hệ
thống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắt
khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm trọng thêm
và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn. Khi vận hành các hệ
thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc song
song với lưới khi xảy ra sự cố sập lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường
càng sớm càng tốt sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ. Không những thế, hệ thống điều
khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả
năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không
đối xứng.
Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ
thống phát điện chạy sức gió. Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới
không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đồng thời vấn đề kết hợp
hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây
được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa đư ợc quan tâm một cách
triệt để.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao
tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa
quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống
phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao
khả năng trụ lưới của hệ thống.
Các nội dung chính của luận án
· Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến
đổi) phía máy phát. Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo
đảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối.
· Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác
định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc
điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng.
· Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ
lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và
ngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho
từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía
lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng l ưới trên các trục
tọa độ quay tương ứng.
· Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử
dụng máy phát điện nguồn kép. Ở chế độ xác lập (không có lỗi lưới), bộ điều khiển
phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng điện lưới có dạng hình sin
hơn khi làm việc với các tải phi tuyến và làm việc như một bộ bù công suất phản kháng
để hỗ trợ lưới. Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp
đối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng đi ện
trong các pha.
· Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo
thụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máy
phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép.
· Kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trường
Matlab-Simulink-Plecs.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
· Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát
không đồng bộ nguồn kép.
· Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phi
tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động.
· Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho
bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phía
lưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc không có dây trung tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
· Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sách
lược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất
· Hai ý ngh ĩa thực tiễn chính là không chỉ mô phỏng thành công mà còn chỉ ra tính
khả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều
khiển nghịch lưu phía lưới.
Những đóng góp của luận án
· Xây dựng và mô phỏng thành công sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng
trên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha không
có dây trung tính. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn
so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại.
· Đã ch ứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều
khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất
lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến.

Chương 1. Tổng quan
1.1 Khái quát về năng lượng gió
Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những
năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng
lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng
lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng
lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống
máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39].
Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy
sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35]. Trong khi
dung lượng đó ở Mỹ đã tăng t ừ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn
16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26].
Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các
tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

Tiếng việt:

[1] Nguyễn Hoàng Hải (2009), Nghiên cứu đặc tính phẳng của máy phát không đồng
bộ nguồn kép (rotor dây qu ấn) và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý
hệ phẳng. Đồ án tốt nghiệp K49, Đại học bách khoa Hà Nội.

[2] Đặng Danh Hoằng (2008), Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống điều khiển
máy phát đi ện không đồng bộ nguồn kép bằng phương pháp đi ều khiển phi tuyến,
Báo cáo t ổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, Trung tâm học liệu - Đại học
Thái Nguyên, Mã s ố B2008 TN02_06.

[3] Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3
pha, Nxb Khoa h ọc kỹ thuật Hà Nội.

[4] Nguyễn Phùng Quang, Dittrich A. (2002), Truyền động điện thông minh, Nxb
Khoa học kỹ thuật Hà Nội.

[5] Cao Xuân Tuy ển (2008),Tổng hợp các thuật toán phi tuyến trên cơ sở phương pháp
backstepping đ ể điều khiển máy điện dị bộ nguồn kép trong hệthống máy phát điện
sức gió, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học bách khoa Hà Nội.

Tiếng Anh:

[6] Abad G., Bobrowska-Rafal M., Rafal K., and Jasinski M. (2009), “Control of
PWM rectifier under grid voltage dips”, Bulletin of the Polish Academy of Science,
57(4).
[7] Abellan A., Benavent J. M., Garcera G., and Cerver D. (2002), “Fixed frequency
current controller applied to shunt active filters with upf control in four-wire power
systems”, IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,
1, pp. 780– 785.


[8] Akagi H., Watanabe E. H., and Aredes M. (2007), Instantaneous Power Theory and
Applications to Power Conditioning, Wiley-IEEE Press.


[9] Alepuz S., Busquets S., Bordonau J., Pontt J., Silva C., and Rodriguez J. (2007),
“Fast on-line symmetrical components separation method for synchronization and
control purposes in three phase distributed power generation systems”, European
Conference on Power Electronics and Applications.


[10] Alepuz S., Busquets S., Bordonau J., Pontt J., Silva C., and Rodriguez J. (2007),
“Balanced grid currents in three-level voltage-source inverters connected to the
utility under distorted condition using symmetrical components and linear

quadratic regulator”,
European Conference on Power Electronics and

Applications


[11] Alepuz S., Busquets-Monge S., Bordonau J., Martinez-Velasco J. A., Silva C. A.,
Pontt J., and Rodriguez J. (2009), “Control strategies based on symmetrical
components for grid-connected converters under voltage dips”, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, 56(6),pp. 2162 – 2173.


[12] American Wind Energy Association (2008), AWEA Rankings Report Year Ending
2007, Washington DC.


[13] Andreas Petersson (2005), Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed
Induction Generators for Wind Turbines, PhD thesis, Chalmers University of
Technology.