Đồ án tốt nghiệp Điện công nghiệp: Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIF (Doubly-Fed Induction Generators)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIF (Doubly-Fed Induction Generators)" nghiên cứu tìm hiểu hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generators) – DFIG; xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG; ứng dụng phần mềm pscad để mô phỏng và phân tích kết quả hoạt động của hệ thống phát điện gió dùng DFIG.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Điện công nghiệp: Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIF (Doubly-Fed Induction Generators)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG (DOUBLY- FED INDUCTION GENERATOR) Ngành: ĐIÊN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn : BÙI MINH DƯƠNG Sinh viên thực hiện : PHẠM TIẾN ĐẠT MSSV : 1311020090 Lớp : 13DDC05 TP. Hồ Chí Minh, 2017
MỤC LỤC MỤC LỤC.................................................................................................................. i DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................... iv PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ ....................................................1 1.1 Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió: .............................................. 1 1.2 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam: ................................................................ 1 1.3 Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 3 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .......................................................................... 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................... 4 1.6 Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ .......................6 2.1 Cấu trúc tổng quan cảu hệ thống phát điện gió ................................................ 6 2.1.1 Tuabin – Cánh quạt ...................................................................................... 7 2.1.2 Trạm điều khiển ............................................................................................ 7 2.1.3 Rotor tuabin ................................................................................................... 7 2.1.4 Máy phát điện ................................................................................................ 7 2.1.5 Các công thức liên quan đến hệ thống phát điện gió ................................. 8 2.2 Tổng quan về DFIG: .......................................................................................... 10 2.2.1 Cấu tạo của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction Generators) DFIG: .................................................................................................... 10 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG ................................................ 12 2.2.3 Điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng stator 13 2.3 Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu .................................................. 16 2.3.1 Bộ chỉnh lưu ................................................................................................. 16 2.3.2 Bộ nghịch lưu áp 3 pha ............................................................................... 22 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA MÁY PHÁT KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP ......................................................................................24 3.1 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh α-β....... 24 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG i HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
3.2 Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ quay d-q. .... 28 3.3 Điều khiển công suất DFIG:............................................................................. 32 ..................................................................................................................................37 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG DFIG ...........................................................................................................39 4.1 Tổng quan ........................................................................................................... 39 4.2 Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội ...................................................... 42 4.1.1 Giới thiệu: .................................................................................................... 42 4.1.2 Nguyên lý điều khiển mô hình nội đối với máy phát điện DFIG ............ 43 4.1.3 Biểu diễn trạng thái của hệ thống DFIG ................................................... 44 4.3 Hệ thống điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG: 48 4.3.1 Mô hình chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ 𝜶𝜷 ......................................... 48 4.3.2 Mô hình cho biết vị trí trục quay và góc trượt:........................................ 50 4.3.3 Mô hình cho biết tốc độ gió tham chiếu .................................................... 50 4.3.4 Mô hình phát các dòng điện tham chiếu ................................................... 51 4.3.5 Phát hiện các thành phần d-q của dòng điện: .......................................... 53 4.3.6 Mô hình phát ra các điện áp tham chiếu .................................................. 53 4.3.7 Bộ điều khiển Id-Iq tách rời ......................................................................... 54 4.3.8 Mô hình tạo xung PWM ............................................................................. 54 4.3.9 Khối này chuyển đổi tốc độ gió thành mô men xoắn. .............................. 55 4.4 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) ..................................... 56 4.5 Mô hình máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây nguồn AC và đồng hồ đo đa năng . 58 4.5.1 Máy biến áp.................................................................................................. 58 4.5.2 Multimeter ................................................................................................... 59 4.5.3 Nguồn điện áp 3 pha: .................................................................................. 60 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................61 5.1 Chế độ làm việc bình thường của hệ thống phát điện gió .............................. 61 Khảo sát trong thời gian 15s ....................................................................................... 61 5.1.1 Điện áp tức thời: .......................................................................................... 61 5.1.2 Công suất đầu stator và đầu rotor ............................................................. 62 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG ii HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
5.1.3 Điện áp đo lường ở tụ DC ........................................................................... 64 5.1.4 Dòng điện đâu rotor và đầu stator............................................................. 67 5.1.5 Mômen xoắn................................................................................................. 69 5.1.6 Công suất ở bộ chuyển đổi tốc độ gió. ....................................................... 69 5.2 Xét trường hợp ngắn mạch: .............................................................................. 70 5.2.1 Điện áp tức thời: .......................................................................................... 70 5.2.2 Công suất đầu stator và đầu rotor ............................................................. 71 5.2.3 Dòng điện đầu rotor và đầu stator............................................................. 73 5.2.4 Điện áp đặt đo lường tụ DC ....................................................................... 75 5.2.5 Momen xoắn: ............................................................................................... 77 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .....................................................................................78 6.1. Kết luận. ................................................................................................................. 78 6.1.1 Đề tài đã thực hiện được một số nội dung chính như sau. ........................... 78 6.1.2. Hạn chế. ........................................................................................................... 78 6.2. Hướng phát triển đề tài ........................................................................................ 78 Tài liệu tham khảo....................................................................................................79 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG iii HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2. 1: Đường cong hiệu suất turbine ................................................................. 8 Hình 2. 2: Cấu tạo của DFIG .................................................................................. 10 Hình 2. 3 : Đặc tính momen, tốc độ làm việc của máy phát DFIG ........................ 11 Hình 2. 4: Mạch điện tương đương của DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-p ................................................................................................................................ 13 Hình 2. 5: Bộ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển .............................................. 16 Hình 2. 6: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha ..................................................... 17 Hình 2. 7: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ................................................... 19 Hình 2. 8: Dạng sóng xoay chiều nguồn ba pha ..................................................... 20 Hình 2. 9: Bộ nghịch lưu áp 3 pha.......................................................................... 22 Hình 3. 1: Sơ đồ đấu dây của hai bộ dây quấn stator và rotor dạng Y-Y............... 24 Hình 3. 2: Trục của dây quấn stator và rotor trong hệ trục dq ............................... 29 Hình 3. 3: Mạch điện tương đương mô hình động cơ DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu dq quay với tốc độ đồng bộ ................................................................. 32 Hình 3. 4: Sơ đồ điều khiển dòng công suất trao đổi giữa stator DFIG và lưới điện ................................................................................................................................ 33 Hình 3. 5: Định hướng hệ trục tọa độ dq theo véctơ điện áp lưới .......................... 34 Hình 3. 6: Giản đồ véctơ điện áp lưới và véctơ từ thông stator ............................. 35 Hình 3. 7: Giản đồ véctơ dòng, áp và từ thông của DFIG ..................................... 37 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG iv HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
Hình 4. 1: Sơ đồ tổng thể tuabin gió thay dổi DFIG .............................................. 40 Hình 4. 2: Hệ thống điều khiển .............................................................................. 43 Hình 4. 3: Hệ thống điều khiển mô hình nội áp dụng cho máy phát điện DFIG ... 44 Hình 4. 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phát điện cảm ứng nguồn kép ...... 48 Hình 4. 5: Sơ đồ chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ 𝛼𝛽 ........................................... 48 Hình 4. 6: Vị trí trục quay và góc trượt .................................................................. 50 Hình 4. 7: Mô hình cho biết tốc độ gió tham chiếu ................................................ 50 Hình 4. 8: Mô hình phát các dòng điện tham chiếu ............................................... 51 Hình 4. 9: Sơ đồ chuyển đổi từ hệ a, b, c thành hệ d-q .......................................... 52 Hình 4. 10: Điều khiển PWM hiện tại. ................................................................... 52 Hình 4. 11: Sơ đồ các thành phần d-q của dòng..................................................... 53 Hình 4. 12: Sơ đồ điện áp tham chiếu PWM .......................................................... 53 Hình 4. 13: Sơ đồ bộ điều khiển Id-Iq tách rời ........................................................ 54 Hình 4. 14: Sơ đồ của xung PWM ......................................................................... 55 Hình 4. 15: Sơ đồ chuyển đổi tốc độ gió thành mô men xoắn. .............................. 55 Hình 4. 16: Máy cảm ứng rotor .............................................................................. 57 Hình 5. 1: Tín hiệu điện áp tức thời ....................................................................... 61 Hình 5. 2: Tín hiệu công suất đầu stator................................................................. 62 Hình 5. 3: Tín hiệu công suất bên rotor .................................................................. 64 Hình 5. 4: Tín hiệu điện áp đo ở tụ DC .................................................................. 66 Hình 5. 5: Tín hiệu ở Irp và Ird .............................................................................. 66 Hình 5. 6: Tín hiệu dòng rotor ................................................................................ 67 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG v HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
Hình 5. 7: Tín hiệu dòng điện đầu stator ................................................................ 68 Hình 5. 8: Tín hiệu momen xoắn ............................................................................ 69 Hình 5. 9: Tín hiệu công suất ở momen ................................................................. 70 Hình 5. 10: Tín hiệu điện áp tức thời khi ngắn mạch ............................................. 70 Hình 5. 11: Tín hiệu công suất đầu rotor khi ngắn mach ....................................... 71 Hình 5. 12: Tín hiệu công suất đầu stator............................................................... 72 Hình 5. 13: Tín hiệu dòng điện đầu rotor ............................................................... 73 Hình 5. 14: Tín hiệu dòng đầu stator ...................................................................... 74 Hình 5. 15: Tín hiệu điện áp ở tụ DC ..................................................................... 75 Hình 5. 16: Tín hiệu ở Irp và Ird ............................................................................ 76 Hình 5. 17: Tín hiệu momen xoắn .......................................................................... 77 GVHD: BÙI MINH DƯƠNG vi HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng và đầy triển vọng đối với việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Trong nhiều sự lựa chọn để sản xuất điện, nhiều nước đang hướng đến sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng môi trường. Trong các loại hình năng lượng tái tạo, năng lượng gió được chú trọng đặc biệt bởi các đặc điểm ưu việt sau: - Điện gió có giá thành thấp, thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu xem xét cả chi phí môi trường, xã hội và sức khỏe con người vào giá thành thì điện gió có thể cạnh trạnh với điện được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hoá thạch. - Tài nguyên năng lượng gió tương đối phong phú, đặc biệt ở các vùng ven biển và các vùng đất trống, do vậy có thể phát triển ở qui mô lớn. - Thời gian xây dựng dự án điện gió ngắn hơn nhiều so với thời gian xây dựng các dự án điện truyền thống như điện hạt nhân hay nhiệt điện. Ở Việt Nam, dù được đánh giá có tiềm năng phát triển tốt, năng lượng gió vẫn còn là một ngành mới mẻ. Mọi thứ thuộc ngành này đều ở bước khởi đầu. Các văn bản pháp lý cho phát triển điện gió, các thông tin, kiến thức...về ngành cũng còn ở mức rất hạn chế. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, cũng như phải đối mặt với vấn đề an ninh năng lượng và môi trường thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng sạch trong đó có điện gió là hết sức cần thiết. Từ các ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Khảo sát hệ thống phát điện gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIF (Doubly-Fed Induction Generators)’’ làm đề tài nghiên cứu với mong muốn hiểu biết thêm về các phương pháp vận hành và điều khiển. GVHD: BÙI MINH DƯƠNG vii HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ 1.1 Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió: Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ dẫn đến sự khác nhau về áp suất. Không khí giữa xích đạo và 2 cực và không khí giữa ban ngày và ban đêm của Trái Đất di động khác nhau sẽ tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí. Vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) hầu như tạo thành các dòng không khí theo mùa. Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. 1.2 Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam: GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 1 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
Theo phân bố tốc độ gió trung bình nhiều năm trên toàn Biển Đông, có 2 khu vực có tốc độ gió rất mạnh, khu vực Đông Bắc rộng lớn gồm cả eo Đài Loan và Luzon và khu vực phía Tây giáp ranh với Nam Bộ của Việt Nam, có tốc độ gió đạt tới 10-11m/s. Đây cũng chính là những vùng có tiềm năng công suất điện gió biển lớn. Tại vùng biển Việt Nam có khu vực từ Bình Thuận đến Cà Mau, có là nơi có tốc độ gió đạt từ 7 đến 11m/s, là nơi có công suất năng lượng gió lớn. Khu vực ven bờ vịnh Bắc Bộ phía Bắc từ Quảng Ninh đến Quảng Trị có tốc độ gió chủ yếu thấp hơn 6m/s. Trên bản đồ phân bố tiềm năng gió trung bình ở độ cao 80m cho thấy trên Biển Đông, vùng kéo dài dọc theo hướng Đông Bắc-Tây Nam từ eo biển Đài Loan tới vùng biển khu vực Đông Nam Bộ nước ta có tiềm năng năng lượng khá cao, đạt 600-800 W/m2/năm (MW/km2/năm). Trong đó khu vực ven biển cực Nam Trung Bộ là trung tâm có mật độ năng lượng 400-700W/m2. Ngoài ra trên khu vực vịnh Bắc Bộ cũng hình thành một trung tâm có mật độ năng lượng đạt 400-500 W/m2. Theo độ sâu, địa hình và tốc độ gió trung bình năm (3 mức, cao, vừa, thấp) dựa theo chuỗi 10 năm (đo đạc gió vệ tinh NOAA), khu vực biển ven bờ Việt Nam được chia thành 5 khu vực như sau (theo đường bờ) gồm: Quảng Ninh-Quảng Trị (biển thoải, nông, mật độ năng lượng gió vừa); Quảng Bình-Quảng Ngãi (biển thoải, hẹp, mật độ năng lượng gió thấp); Bình Định-Ninh Thuận (biển nông hẹp, mật độ năng lượng gió thấp); Bình Thuận-Mũi Cà Mau (biển thoải, nông, mật độ năng lượng gió cao); Mũi Cà Mau- Kiên Giang (biển nông, mật độ năng lượng gió vừa) Vùng ven biển nước ta, đặc biệt vùng phía Nam có diện tích rộng khoảng 112.000km2, khu vực có độ sâu từ 30m đến 60m có diện tích rộng khoảng 142000km2 có tiềm năng phát triển tốt điện gió biển rất tốt. Đặc biệt khu vực biển có độ sâu 0-30m từ Bình Thuận đến Cà Mau rộng khoảng 44000km2. Theo số liệu gió Phú Quý, Côn Đảo thì vùng này đạt tốc độ gió trung bình ở độ cao 100m đạt hơn 5-8m/s. Hiện nay trang trại gió biển đầu tiên với công suất gần 100 MW đã hoạt động và đang nghiên cứu triển khai các giai đoạn tới năm 2025, lên tới 1.000 MW tức gấp 10 lần. GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 2 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
Cụ thể, các trang trại tuabin gió tại đảo Phú Quý và Bạc Liêu đã hoạt động tốt và mang lại hiệu quả kinh tế cao, cơ hội thu hồi vốn khoảng hơn 10 năm, so với tuổi thọ tuốc bin 20 năm. Trang trại gió biển Khai Long (Cà Mau) xây dựng từ tháng 1/2016 với công suất giai đoạn 1 là 100 MW. Trang trại gió biển hiện đóng góp ngân sách cho các địa phương với nguồn thu ổn định, như tỉnh Bạc Liêu đạt 76 tỷ đồng/năm, khi hoàn thành trang trại gió 400 MW sẽ lên tới gần 300 tỷ mỗi năm. Tỉnh Cà Mau với 300 MW cũng sẽ thu được hơn 200 tỷ/năm. Vì vậy, cần sớm xây dựng Chiến lược chính sách phát triển điện gió biển Việt Nam. Bởi các công trình năng lượng gió trên biển nếu được sử dụng đồng thời kết hợp với các nguồn khác như mặt trời, sóng biển, năng lượng sinh khối, nuôi trồng thuỷ sản, bảo tồn thuỷ sinh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn, giúp ngăn ngừa xói sạt lở bờ biển. Mặt khác sẽ là những điểm tham quan, du lịch học tập, là “mắt thần” giúp tăng cường bảo vệ an ninh chủ quyền trên biển của Tổ quốc. 1.3 Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generators) – DFIG. 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Nhiệm vụ của đề tài - Xây dựng mô hình toán học các phần tử điều khiển máy phát điện gió dùng DFIG. - Tìm hiểu các thành phần chính của hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG. - Trình bày các phương trình chuyển đổi năng lượng trong mô hình điều khiển máy phát điện gió DFIG. - Ứng dụng phần mềm pscad để mô phỏng và phân tích kết quả hoạt động của hệ thống phát điện gió dùng DFIG. Giới hạn đề tài. GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 3 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
- Chỉ tìm hiểu hệ thống máy phát điện gió sử dụng DFIG từ mô hình có sẵn trong phần mềm Pscad. 1.5 Phương pháp nghiên cứu: - Mô hình toán học và mô hình hóa các thành phần chính trong hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG. - Thực hiện mô phỏng hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG bằng phần mềm PSCAD. 1.6 Cấu trúc của luận văn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIÓ - Giới thiệu về sự hình thành của năng lượng gió. - Tiềm năng năng lượng gió Việt Nam. - Mục tiêu của đề tài. - Nhiệm vụ và giới thiệu giới hạn của đề tài. - Phương pháp nghiên cứu. Chương 2: - Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió. - Tổng quan về DFIG. - Tổng quan về bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Chương 3: - Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh 𝛼𝛽. - Mô hình toán của máy phát điện (DFIG) trong hệ trục tọa độ tĩnh d-q. - Điều khiển công suất DFIG. Chương 4: GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 4 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
- Tổng quan. - Thiết kế giải thuật điều khiển mô hình nội. - Hệ thống điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của DFIG. - Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép. - Mô hình máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây. Chương 5: - Chế độ làm việc bình thường của hệ thống phát điện gió. - Chế độ làm việc lúc ngắn mạch của hệ thống phát điện gió. Chương 6: - Kết luận. - Hướng phát triển cảu đề tài. GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 5 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ 2.1 Cấu trúc tổng quan của hệ thống phát điện gió Hệ thống phát điện gió gồm các thành phần cơ bản sau: − Cánh tuabin: Các tuabin gió hiện tại thường có hai đến ba cánh. Gió thổi qua các cánh quạt làm cho các cánh chuyển động quay. − Góc Pitch: Cánh tuabin được lật hoặc xoay để điều chỉnh tốc độ nhờ vào sự điều chỉnh góc pitch. Cánh quạt được điều chỉnh để giữ cho rotor quay với tốc độ không quá cao hoặc không quá thấp để phát công suất điện. − Thiết bị điều khiển Yaw control: Khi tốc độ gió quá nhỏ so với tốc độ giới hạn, nó sẽ giữ cho rotor đối diện với nguồn gió. Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn, đặc biệt khi có bão, nó sẽ điều khiển các tuabin ra khỏi hướng có bão. − Đồng hồ đo tốc độ và hướng gió: Phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ cho tuabin thích hợp với tốc độ gió cụ thể. − Phanh hãm: phanh hãm đĩa được dùng như phanh cơ khí, phanh điện hoặc phanh thủy lực để dừng rotor trong các trường hợp khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ. − Hộp số: hộp số được đặt ở giữa trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao để gia tăng tốc độ quay từ 20 vòng đến 60 vòng trên phút đến 1200 đến 1500 vòng trên phút, đây là tốc độ quay phù hợp cho các máy phát để sản xuất ra điện. − Máy phát: Thường dùng các máy phát đồng bộ hoặc không đồng bộ để phát điện xoay chiều GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 6 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
− Tháp: Tháp được làm từ thép phiến hoặc từ các thanh thép bắt chéo nhau với kết cấu vững chắc và chịu va đập cơ học tốt và có tính đàn hồi hợp lý. Có hai loại tháp cơ bản: loai tự đứng và loại giăng cáp. Tháp loại giăng cáp có giá trị rẻ hơn, có thể bao gồm các phần giàn khung ống và cáp Các hệ thống treo dễ lắp đặt hơn hệ thống tự đứng. 2.1.1 Tuabin – Cánh quạt Thông thường người ta chia tuabin làm hai loại: − Tuabin có trục nằm ngang − Tuabin có trục nằm đứng Hầu hết các tuabin thường được sử dụng hiện nay là tuabin nằm ngang cho công suất lớn. Kích thước tuabin gió có ảnh hưởng trực tiếp tới công suất của tuabin. Hệ thống cánh của tuabin gió được thiết kế để bắt nhiều năng lượng hơn từ gió. Chúng được làm từ nguyên liệu tổng hợp cho phép chịu được những cơn gió lớn có cường độ cao, chuyển động và dừng khẩn cấp trong các trường hợp đặc biệt nhờ hệ thống phanh hãm thông qua hệ thống điều khiển. 2.1.2 Trạm điều khiển Để điều khiển tuabin thay đổi theo điều kiện của gió, liên tục tối ưu hóa sức mạnh sản sinh trong khi tối giản hư hại. Hệ thống điều khiển thực hiện việc điều khiển góc cánh bằng bánh răng đây là hệ thống điều khiển công suất. Bánh răng quay góc cánh thường được điều khiển bằng hệ thống điều khiển điện thủy lực. 2.1.3 Rotor tuabin Đối với rotor loại trục ngang có 3 cánh, công suất phát được điều khiển bằng bộ điều khiển góc cánh, bánh răng và bộ biến đổi tốc độ, cho phép rotor máy phát điện quay luôn luôn ở tốc độ tối ưu. 2.1.4 Máy phát điện GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 7 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
Chức năng của máy phát là chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Nó được lắp trên khung có bộ nện cao su giãn nở và được gắn nối cơ học bằng bulong-ecu. 2.1.5 Các công thức liên quan đến hệ thống phát điện gió ▪ Công suất gió: 1 Pw = 𝜌𝐴𝑣 3 (2.1) 2 Trong đó: Pw: Công suất gió (KW) 𝜌 mật độ không khí (kg/m3) A: diện tích quét của cánh rotor (m2) V: vận tốc gió (m/s) Công suất phía rotor: 1 Pb = Pw.Cp = 𝜌𝐴𝑣 3 .Cp (2.2) 2 Trong đó: Pb: công suất phía rotor (KW) Pw: công suất gió (KW) Cp: Hiệu suất cánh quạt turbine Đường cong hiệu suất turbine gió: Hình 2. 1: Đường cong hiệu suất turbine GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 8 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
▪ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên mật độ gió PV = nRT (2.3) 𝑃∗𝑀𝑊∗103 𝜌= (2.4) 𝑅𝑇 Trong đò: P: áp suất (atm) V: thể tích (m3) n: hằng số mol (mol) R: hằng số khí lý tưởng = 8.2056*10-5 m3.atm.K-1.mol-1 T: nhiệt độ (K) ▪ Ảnh hưởng của độ cao lên mật độ gió: −4 P = Po.𝑒 −1.185.10 H (2.5) Trong đó: H: là độ cao (m) P: áp suất (atm) Po: áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1atm) GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 9 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
2.2 Tổng quan về DFIG: 2.2.1 Cấu tạo của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction Generators) DFIG: Máy phát điện nguồn kép thực chất là máy điện không đồng bộ dây quấn. Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sử dụng DFIG thì stato của DFIG được kết nối trực tiếp với lưới điện và roto nối với bộ chuyển đổi công suất thông qua vành trượt. Một tụ điện DC link được đặt ở giữa đóng vai trò tích trữ năng lượng. Hình 2. 2: Cấu tạo của DFIG Vành trượt đặt ở đầu của rotor có nhiện vụ đưa dòng điện một ngoài. Thiết bị crowbar được trang bị ở đầu rotor để bảo vệ dòng điện ngắn mạch và tránh quá điện áp trong mạch. Khi xảy ra tình trang quá dòng thiết bị crowbar ngắn mạch ở đầu cực rotor thông qua điện trở làm ngừng hoạt đông bộ điều khiển RSC và GSC cho phép DFIG làm việc như một máy phát điện không đồng bộ thông thường, lúc này tiêu thụ điện năng từ lưới. Bộ converter phía máy phát (RSC) có các ưu điểm sau: GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 10 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
+ Khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIG có khả năng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng về lưới và khả năng tự điều chỉnh điện áp trong trường hợp lưới yếu. + Có khả năng hoàn toàn tự kích từ DFIG thông qua rotor độc lập với điệp áp lưới. + Khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Nhiệm vụ của bộ converter ở phía lưới (GSC) là giữ cho điện áp ở DC link không đổi. Máy phát DFIG có ưu điểm là có thể làm việc với tốc độ rotor thay đổi khoảng ± ∆𝜔𝑟𝑚𝑎𝑥 so với tốc độ đồng bộ 𝜔1 . Hình 2.3 thể hiện đặc tính momen tốc độ máy. Hình 2. 3 : Đặc tính momen, tốc độ làm việc của máy phát DFIG GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 11 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát DFIG Khi ta sử dụng 1 lực vào tubine quay, thông qua hộp số và trục truyền động làm rotor quay. Khi đã đạt đến tốc độ trên đồng bộ(n2>n1), thì máy phát DFIG sẽ tạo ra 60𝑓 dòng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. (tốc độ từ trường quay là: n1 = ) 𝑝 Cuộn dây stator của máy phát DFIG phát điện trực tiếp vào lưới điện tương tự như các máy phát điện không đồng bộ. Sự khác biệt là phần rotor được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi năng lượng. Vì vậy, trong hệ thống DFIG, năng lượng cấp cho lưới điện không chỉ bởi stato, mà còn bởi rotor. Do đó, hệ thống này được gọi là “máy phát điên cảm ứng nguồn kép”. Mạch rotor được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu VSC (voltage source converter) ở phía rotor có biên độ và tần số thay đổi. Khi đã hòa đồng bộ với lưới điện, dòng năng lượng qua máy phát có thể mô tả thành hai trường hợp: + Khi momen quay ứng với tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành dưới đồng bộ. trường hợp này máy phát lấy năng lượng từ lưới qua rotor. + Khi momen quay ứng với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ, gọi là tốc độ vận hành trên đồng bộ. Trường hợp này máy phát hoàn toàn năng lượng về lưới qua rotor và stator. Để đảm bảo DFIG vận hành như máy phát ở 2 chế độ trên, thì bộ biến đổi công suất cả 2 phía (phía máy phát: RSC và phía lưới: GSC phải có khả năng điều khiển dòng công xuất theo 2 chiều). Bộ converter cho phép DFIG làm việc trong cả 4 góc phần tư có măt phẳng dp, nghĩa là DFIG có khả năng phát công suất phản kháng lên lưới (điều này ngược lại với máy điện thông thường). Công suất phản kháng giữa DFIG và lưới điện có thể điều khiển độc lập với công xuất tác dụng. Máy điện thường hoạt động như động cơ trước và khi đạt tốc độ nhất định (tốc độ trên đồng bộ), máy sẽ phát ngược công xuất vào lưới. GVHD: BÙI MINH DƯƠNG 12 HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT