Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:320

Thêm vào BST

Báo xấu

316
lượt xem 108
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: „Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“ Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam

BGDĐT PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản quyền thuộc PTNTĐH Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Giám đốc PTNTĐH trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi khoa häc cÊp nhµ n−íc Nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o bé ph¸t ®iÖn b»ng søc giã cã c«ng suÊt 10- 30KW phï hîp víi ®iÒu kiÖn viÖt nam M∙ sè KC 06.20CN Chñ nhiÖm ®Ò tµi: gs, tskh. nguyÔn phïng quang 6700 24/12/2007 hµ néi - 2007
PTNTĐH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Phòng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Số1 - Đại Cồ Việt – Hà Nội Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội, tháng 3/2007 Bản thảo viết xong tháng 3/2007 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Nhà nước, mã số KC.06.20CN
Danh sách những người thực hiện Số Họ tên Cơ quan công tác Nội dung tham gia TT PGS. TSKH. Nguyễn PTN Tự động hóa, Chủ nhiệm Đề tài 1 ĐHBK Hà Nội Phùng Quang PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 2 ThS. Lê Anh Tuấn ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 3 KS. Phí Kim Phúc ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN ThS. Trương Xuân PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 4 Hùng ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 5 KS. Chu Đình Đức ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 6 KS. Phạm Vũ Dương ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN PTN Tự động hóa, Thành viên nhóm Đề 7 ThS. Triệu Đức Long ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN ThS. Phạm Trung Bộ môn Điều khiển tự Thành viên nhóm Đề 8 Kiên động, ĐHBK Hà Nội tài KC.06.20CN Hệ thống cột tháp 9 TS. Đỗ Quốc Quang Viện Công nghệ, Bộ CN (chương 2) TS. Nguyễn Đình Thành viên nhóm TS. 10 Viện Cơ học Việt Nam Kiên Đỗ Quốc Quang Học viện Kỹ thuật quân Thành viên nhóm TS. 11 ThS. Đỗ Xuân Ngôi sự Đỗ Quốc Quang KS. Trần Xuân Thành viên nhóm TS. 12 Viện Công nghệ, Bộ CN Thành Đỗ Quốc Quang Bộ môn Thiết bị điện, 13 TS. Bùi Đức Hùng Mục 1.2.2 và 1.2.3 ĐHBK Hà Nội 14 TS. Phạm Anh Tuấn Viện Cơ học Việt Nam Mục 1.3.2 Ngoài danh sách những người thực hiện phần chuyên môn kể trên, Đề tài còn có sự đóng góp công sức của nhiều thành viên PTN Tự động hóa như PGS. TS. Bùi Quốc Khánh (Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu - Triển khai công nghệ cao, ĐHBK Hà Nội), ThS. Nguyễn Thúy Hồng (Thư ký Đề tài) và một số người khác.
Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt Các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Ma trận hệ thống A Ma trận vào phía Rotor, Stator Br, Bs CAh, CPh Dung lượng dòng, dung lượng công suất của ắc-quy EB Điện áp ắc-quy FWt, FWc Sức cản của gió do Turbine, do cột gây nên Ma trận đầu vào phía Stator, phía Rotor Hs, Hr Vector dòng Rotor, hai thành phần trục d, q ir, ird, irq Vector dòng Stator, hai thành phần trục d, q is, isd, isq J Mômen quán tính Ma trận phản hồi trạng thái, ma trận lọc đầu vào K, V (ma trận tiền xử lý) Ls, Lr, Lm, Lσr, Lσs Điện cảm Stator, Rotor, hỗ cảm giữa 2 cuộn dây, điện cảm tản phía Rotor và Stator Lsd, Lsq Điện cảm dọc trục, ngang trục mG, mM Mômen của máy phát, của động cơ n Tốc độ quay, hay hệ số bằng phẳng của địa hình P, Q Công suất hữu công, vô công Ma trận điều chỉnh dòng RI T+, T-, Tpulse Thời gian thực hiện u+, u-, chu kỳ băm xung Tr, Ts Hằng số thời gian phía Rotor, Stator Tsd, Tsq Hằng số thời gian phía Stator đo dọc, ngang trục Hai vector điện áp chuẩn, vector quay tròn, vector u+, u-, uT, uTα điện áp đặt lên đầu vào biến thế Ba điện áp pha, module điện áp máy phát usu , usv , usw ,U UDC Điện áp mạch một chiều (DC) trung gian Vector điện áp Rotor, hai thành phần trục d, q ur, urd, urq Vector điện áp Stator, hai thành phần trục d, q us, usd, usq v, vz Vận tốc gió, vận tốc gió ở độ cao z Vector biến trạng thái x Vector biến ra của khâu điều chỉnh dòng y zp Số đôi cực của máy điện Hệ số điều chế λ Vector từ thông Stator, vector từ thông Rotor ψs, ψr ψsq, ψsq Hai thành phần của vector từ thông Stator ψs Vector từ thông cực ψp ϕ Góc pha
Vận tốc góc mạch điện phía Rotor, Stator, vận tốc ωr, ωs, ω góc cơ học của Rotor Hệ số tản σ Ma trận quá độ trạng thái Φ Độ nghiêng của quỹ đạo vector dòng điện Ψ Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa ALASKA Phần mềm Alaska ASVS AC Current Space Vector Trajectory Slope Method BĐKHT, BĐKCT Bộ điều khiển cấp hiện trường, cấp hệ thống BK-Wind Nhãn mác đã đăng ký của thiết bị phát điện sức gió CL Chỉnh lưu DFIG Doubly-Fed Induction Generator DSP Digital Signal Processor, vi xử lý tín hiệu ĐB-KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu ĐC, ĐK Điều chỉnh, điều khiển ĐCD Điều chỉnh dòng HSCS Hệ số công suất IGBT Insulated Gate Bipolartransistor, van bán dẫn KĐB-RDQ, KĐB-RLS, Không đồng bộ Rotor dây quấn, không đồng bộ KĐB-NK Rotor lồng sóc, không đồng bộ nguồn kép MASVS Modified AC Current Space Vector Trajectory Slope Method MĐN Máy đóng ngắt MP Máy phát NDCCM Normalized DC Current Method NL, NLMP, NLPL Nghịch lưu, nghịch lưu phía máy phát, nghịch lưu phía lưới NSOTD Normalized direct current method for Short of Open Transitor Detection PĐCSG, PĐCSG-ĐL Phát điện chạy sức gió, phát điện chạy sức gió độc l ập PLECS Chương trình mô phỏng mạch điện tử công suất PWM Pulse Width Modulation, điều chế bề rộng xung S7-200 PLC loại Simatic S7-200 của Siemens SAP2000 Phần mềm SAP2000 SCIG Squirel-Cage Induction Generator SG Synchronous Generator, máy phát đồng bộ SSOTD Simple direct current method for Short of Open Transitor Detection
T4R Tựa theo từ thông Rotor TĐĐ Truyền động điện THĐAL Tựa hướng điện áp lưới TKTT Tách kênh trực tiếp TMS320F2812 Vi xử lý tín hiệu TMS320F2812 TTHCX Tuyến tính hóa chính xác, Exact Linearization VAC, VDC Volt xoay chiều, volt một chiều
Mục lục Trang Lời nói đầu Danh sách các ký hiệu và chữ viết tắt 1 1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Máy phát điện 1 1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN 2 1.2.2 Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ 3 tự chế tạo sau này tại Việt Nam 1.2.2.1 Xác định các kích thước cơ bản 3 1.2.2.2 Tính toán mạch từ 6 1.2.2.3 Tổn hao ở chế độ làm việc định mức 10 1.2.2.4 Các đặc tính làm việc của máy phát điện 12 1.2.2.5 Tính toán độ tăng nhiệt 17 1.2.2.6 Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 18 1.2.2.7 Tổng kết các số liệu thiết kế 19 1.2.3 Thiết kế máy phát không đồng bộ Rotor lồng sóc phục 20 vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam 1.2.3.1 Xác định các kích thước chủ yếu 20 1.2.3.2 Tính toán mạch từ 26 1.2.3.3 Các tham số của máy ở tần số 50Hz 27 1.2.3.4 Tổn hao và hiệu suất của máy ở chế độ động cơ điện 30 1.2.3.5 Động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát 34 1.2.3.6 Tính toán độ tăng nhiệt 40 1.2.3.7 Chỉ tiêu tiêu hao vật tư 42 1.2.3.8 Tổng kết các số liệu thiết kế 43 1.3 Turbine gió (Wind Turbine) 44 1.3.1 Turbine gió đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN 44 1.3.1.1 Mô tả Turbine 46 1.3.1.2 Vận hành Turbine 47 1.3.2 Nghiên cứu thiết kế Turbine chuẩn bị cho việc chế tạo tại 49 Việt Nam 1.3.2.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống Turbine gió 50 1.3.2.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển góc cánh 62 gió 1.4 Tài liệu tham khảo của chương 1 67 I
69 2 Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module 2.1 Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng 69 2.1.1 Mô tả kết cấu 69 2.1.2 Hệ tải trọng tác dụng lên kết cấu 70 2.1.2.1 Tải trọng gió 70 Tải trọng gió do sức cản của cánh quạt Turbine Fwt 2.1.2.2 71 2.1.2.3 72 Tải trọng gió do cản của cột chính Fwc 2.1.2.4 72 Tải trọng của Turbine 2.1.3 73 Phân tích, tính toán kết cấu theo lý thuyết của Timoshenco 2.1.4 76 Phân tích, tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000 2.1.4.1 76 Lựa chọn phần tử 2.1.4.2 78 Phân tích 3D 2.1.5 78 Kiểm tra ổn định của cột phụ khi lắp dựng 2.1.6 80 Độ bền kết cấu cụm quay tại chân cột 2.2 82 Thiết kế kết cấu cột tháp 2.2.1 82 Mô tả thiết kế 2.2.2 87 Mô tả hoạt động của hệ thống 2.2.3 91 Các bản vẽ thiết kế chi tiết 2.3 92 Kết luận 2.4 92 Tài liệu tham khảo của chương 2 93 3 Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất 3.1 Các thiết bị điều khiển 94 3.1.1 Tổng quan về hệ thống các thiết bị điều khiển (gồm cả 94 sản phẩm số 10) 3.1.1.1 Tổng quan về hệ thống 94 3.1.1.2 Cấp điều khiển hiện trường 96 3.1.1.3 Cấp điều khiển hệ thống 100 3.1.2 Hardware điều khiển hiện trường sử dụng TMS 101 320F2812 (sản phẩm số 8) 3.1.2.1 Khái quát về vi xử lý tín hiệu TMS 320F2812 101 3.1.2.2 Thiết kế Hardware của đề tài KC.06.20CN 114 3.1.3 Điều khiển hệ thống sử dụng PLC loại Simatic S7-200 129 3.1.3.1 Khái quát về bài toán điều khiển và truyền thông trong 129 hệ thống 3.1.3.2 Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng S7-200 131 3.1.3.3 Truyền thông giữa PC (ở xa), PLC S7-200 và DSP F2812 147 3.1.4 Module nghịch lưu sử dụng van điện tử công suất (sản 148 phẩm số 9) 3.1.4.1 Khái quát về thiết bị nghịch lưu 148 II
3.1.4.2 Thiết kế - chế tạo nghịch lưu cho thiết bị phát điện chạy 159 sức gió 3.2 Trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho các thiết bị 162 3.3 Tài liệu tham khảo của chương 3 166 169 4 Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện 4.1 Khái quát về hệ thống lưu điện 169 4.2 Thiết kế hệ thống lưu điện 175 4.2.1 Tính toán dàn ắc-quy lưu điện 175 4.2.2 Tính toán thiết kế mạch lực 176 4.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp 180 4.4 Tài liệu tham khảo của chương 4 186 187 5 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ 5.1 Khái quát về máy phát không đồng bộ 187 5.2 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor 189 dây quấn 5.2.1 Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RDQ 189 5.2.2 Mô hình toán và các biến điều khiển máy phát KĐB-RDQ 190 5.2.2.1 Mô hình toán của máy phát KĐB-RDQ 190 5.2.2.2 Mô hình trạng thái gián đoạn của máy phát KĐB-RDQ 193 5.2.2.3 Các biến điều khiển cách ly công suất hữu công P và vô 194 công Q 5.2.3 Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát 197 5.2.3.1 Mô hình dòng Rotor 197 5.2.3.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều chỉnh dòng 2 197 chiều 5.2.4 Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát 198 5.2.4.1 Khái quát về phương pháp tuyến tính hóa chính xác 199 (TTHCX, Exact Linearization) 5.2.4.2 Đặc điểm phi tuyến của mô hình máy phát KĐB-RDQ 200 5.2.4.3 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 200 phương pháp TTHCX 5.2.4.4 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 202 phương pháp cuốn chiếu (Backstepping) 5.2.5 Cấu trúc điều khiển phía lưới 203 5.2.5.1 Mô hình toán mạch điện phía lưới 203 5.2.5.2 Cấu trúc điều khiển 204 5.2.5.3 Kết luận về cấu trúc ĐK phía lưới 206 5.3 Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ Rotor 206 lồng sóc 5.3.1 Cấu trúc của hệ thống PĐCSG dùng máy phát KĐB-RLS 206 III
5.3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính phía máy phát 208 5.3.2.1 Mô hình trạng thái gián đoạn 208 5.3.2.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng bộ điều khiển dòng 2 210 chiều 5.3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến phía máy phát 212 5.3.3.1 Đặc điểm phi tuyến của mô hình 213 5.3.3.2 Điều khiển cách ly P và Q bằng cấu trúc thiết kế theo 213 phương pháp tuyến tính hóa chính xác (Exact Linearization) 5.4 Tài liệu tham khảo của chương 5 214 217 6 Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 6.1 Khái quát về máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu 217 6.2 Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất nhỏ, vận hành 218 ở chế độ ốc đảo 6.3 Điều khiển máy phát ĐB-KTVC công suất lớn, vận hành 220 ở chế độ hòa lưới 6.3.1 Mô hình toán của máy phát ĐB-KTVC 220 6.3.1.1 Mô hình trạng thái liên tục 221 6.3.1.2 Mô hình trạng thái gián đoạn 222 6.3.2 Cấu trúc điều khiển tuyến tính 223 6.3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến 224 6.4 Tài liệu tham khảo của chương 6 225 227 7 Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống thiết bị điều khiển 7.1 Chẩn đoán lỗi phía nghịch lưu 228 7.1.1 Đáp ứng dòng điện khi hở mạch điều khiển một van 228 IGBT 7.1.2 Đáp ứng dòng điện khi ngắn mạch một van IGBT 231 7.1.3 Xác định vị trí van IGBT bị lỗi 233 7.1.3.1 Phương pháp ASVS 233 7.1.3.2 Phương pháp NDCCM 234 7.1.3.3 Phương pháp chẩn đoán lỗi hở mạch điều khiển, ngắn 235 mạch van IGBT được đề xuất 7.2 Chẩn đoán lỗi phía chỉnh lưu 237 7.2.1 Lỗi ngắn mạch diode chỉnh lưu 237 7.2.2 Lỗi hở mạch diode chỉnh lưu 240 7.2.3 Lỗi mất một pha của máy phát hoặc hở mạch hai diode 241 cùng pha 7.3 Mô phỏng kiểm chứng thuật toán 242 7.3.1 Mô phỏng lỗi phía nghịch lưu 242 IV
7.3.1.1 Lỗi hở mạch điều khiển van IGBT 242 7.3.1.2 Ngắn mạch IGBT 246 7.3.2 Mô phỏng lỗi phía chỉnh lưu 249 7.3.2.1 Xác định lỗi mất một pha máy phát 249 7.3.2.2 Xác định lỗi ngắn mạch Diode 250 7.3.2.3 Xác định lỗi hở mạch Diode 251 7.4 Thực hiện hệ thống giám sát - chẩn đoán lỗi từ xa 251 7.4.1 Module phần mềm thu thập dữ liệu trên DSP 253 TMS320F2812 7.4.2 Module phần mềm trên PLC S7-200 254 7.4.2.1 Giao thức truyền thông giữa PLC và DSP 254 7.4.2.2 Các lưu đồ thuật toán 255 7.4.3 Module phần mềm trên máy tính 262 7.4.3.1 Chế độ giám sát thực trạng vận hành 262 7.4.3.2 Chế độ nạp firmware 265 7.5 Tài liệu tham khảo của chương 7 267 Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo 269 8 8.1 Mô hình phụ tải 269 8.2 Phương pháp bù cosϕ 270 8.2.1 Ý tưởng của phương pháp 270 8.2.2 Sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển 272 8.2.3 Sử dụng bộ điều khiển PI mờ 273 8.2.4 Cấu trúc hệ thống điều chỉnh hệ số công suất 275 8.3 Mô phỏng kiểm chứng 275 8.3.1 Cấu trúc Simulink và PLECS 276 8.3.2 Kết quả mô phỏng 279 8.4 Tài liệu tham khảo của chương 8 286 287 9 Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ 9.1 Các sản phẩm đào tạo 287 9.1.1 Danh sách các đồ án tốt nghiệp Kỹ sư 287 9.1.2 Danh sách các luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ 288 9.1.3 Luận văn tốt nghiệp Tiến sĩ 288 9.2 Các báo cáo hội nghị, hội thảo hay tạp chí trong và ngoài 288 nước 9.2.1 Trong nước 288 9.2.2 Ngoài nước 289 291 10 Kết luận và kiến nghị 10.1 Kết luận 291 10.2 Kiến nghị 291 V
Báo cáo tóm tắt Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: „Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“ Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện. Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo bao gồm các phần sau: Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công • suất 10-30kW“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 67 trang, giới thiệu các vấn đề xung quanh hai mảng chính: Giới thiệu thiết bị đang sử dụng: Máy phát và Turbine nhập ngoại vừa + đáp ứng nhu cầu sử dụng trước mắt của Đề tài, vừa giữ vai trò mẫu để học tập trong quá trình thiết kế mới. Giới thiệu các thiết kế, chuẩn bị cho việc tự chế tạo máy phát và + Turbine trong nước. Nội dung thiết kế máy phát điện 20kW (không đồng bộ Rotor lồng sóc, đồng bộ kích thích vĩnh cửu) đã được thực hiện một cách rất nghiêm túc và chi tiết. Nội dung thiết kế lại và mô phỏng kiểm chứng Turbine đã được TS. Phạm Anh Tuấn thực hiện với nhiều khiếm khuyết. Chủ nhiệm đề tài KC.06.20CN đã phải hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polymer (Phó GĐ Trung tâm, PGS. TS. Bùi Chương) thực hiện bổ sung phần thiết kế - chế tạo khuôn mẫu cánh Turbine (bằng vật liệu Polymer) phục vụ chế tạo mới sau này. Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“. Giới thiệu về • sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 24 trang. Sản phẩm này là một bộ phận quan trọng trong tổng thể hệ thống phát điện chạy sức gió 20kW của đề tài KC.06.20CN. Sản phẩm hoàn toàn được tự lực thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại Việt Nam. Đề tài KC.06.20CN đã hợp tác với nhóm chuyên gia do TS. Đỗ Quốc Quang (Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp) đứng đầu để hoàn thành phần nhiệm vụ này. Kết quả thu được là một hệ thống cột tháp đáp ứng tốt công năng yêu cầu, đồng thời cho phép lắp ráp - nâng hạ một cách dễ dàng và không phụ thuộc vào nguồn điện lưới. Chương này giới thiệu các nội dung: Phân tích, tính toán kết cấu cột dây văng. + Thiết kế cụ thể kết cấu cột tháp. +
Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“. Giới thiệu về sản • phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 75 trang và là chương phong phú nhất của toàn bộ báo cáo. Trạm điều khiển mặt đất bao gồm: không chỉ hạng mục xây dựng như trạm (nhà) che an toàn khí hậu cho + các thiết bị và là nơi làm việc của nhân viên vận hành. Trạm còn giới thiệu chi tiết về các thiết bị điều khiển chứa trong tủ như: điều khiển hiện trường + (dùng TMS320F2812), điều khiển hệ thống (dùng Simatic S7-200), nghịch lưu xoay chiều 3 pha. Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“. Giới thiệu về sản phẩm có • số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Trong chương này, sản phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu. Chưong này gồm 18 trang chứa hai nội dung: Thiết kế hệ thống lưu điện sử dụng ắc-quy. + Thiết kế cấu trúc điều khiển nạp ắc-quy. + Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“. Giới • thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Chương này chiếm 30 trang với các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho: Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn (KĐB-RDQ), còn được gọi là + không đồng bộ nguồn kép (Doubly-Fed Induction Generator: DFIG). Máy phát KĐB-RDQ có Stator ghép trực tiếp với lưới, còn phía Rotor được nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất. Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS, Squirel-Cage + Induction Generator: SCIG). Khác với máy phát KĐB-RDQ, máy phát KĐB-RLS có Stator nối với lưới qua thiết bị điện tử công suất. Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh • cửu“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Chương này có 9 trang giới thiệu các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB- KTVC, Permanentmagnet Excited Synchronous Generator: PMSG). Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống • thiết bị điều khiển“. Chương này chiếm 42 trang, giới thiệu về một nội dung mới xuất hiện trong quá trình thực hiện đề tài và là sản phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đăng ký. Ngoài chức năng thực hiện các thuật toán điều khiển, để phục vụ mục đích chẩn đoán tình trạng vận hành của hệ thống, DSP TMS320F2812 liên tục thu thập và lưu trữ các dữ liệu đo đạc của toàn bộ hệ thống. Khi có nhu cầu phân tích và giám sát tình trạng vận hành, các dữ liệu này sẽ được PLC S7-200 chuyển
tới PC qua môi trường truyền thông là đường điện thoại. Khả năng này cho phép ta kiểm tra thực trạng vận hành thiết bị từ xa, một ưu thế đặc biệt lợi hại khi lắp đặt thiết bị tại các vùng sâu, vùng xa. Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“. Giới thiệu về sản • phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài. Chương này gồm 18 trang giới thiệu phương pháp điều khiển bù hệ số công suất cos ϕ cho lưới phụ tải thông qua thay đổi tần số cung cấp trong phạm vi cho phép, từ đó thiết kế bộ điều khiển. Mục tiêu của nhiệm vụ này là góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải, giảm tổn thất biến đổi năng lượng, giảm điện áp rơi trên mạng phân phối. Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“. Giới thiệu về sản • phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Qua đây ta thấy rõ đóng góp của Đề tài KC.06.20CN trong công tác đào tạo chuyên gia: 9 Kỹ sư, 3 Thạc sĩ và 1 Tiến sĩ (sẽ bảo vệ trong năm 2007). Ngoài ra, với các nội dung khoa học của mình, Đề tài còn thực hiện 9 bài viết cho tạp chí và hội nghị khoa học trong nước, 3 bài viết cho tạp chí, hội nghị khoa học và Workshop tại nước ngoài. Ngoài ra, báo cáo còn có phần phụ lục được tổ chức thành 3 quyển: Phụ lục 1: Bao gồm các loại bản vẽ thuộc hạng mục sản phẩm „Sơ đồ“ có • số thứ tự 2 trong mục 16 của „Thuyết minh đề tài“. Đó là các sơ đồ tủ điện chính, sơ đồ Hardware (mạch và Layouts), sơ đồ phần điện tử công suất. Các bản vẽ cơ khí (hệ thống cột tháp) và xây dựng (hệ thống móng và nhà điều khiển) cũng được tập hợp trong phụ lục này. Quyển phụ lục 1 giữ vai trò „Thuyết minh kỹ thuật“ cụ thể, hỗ trợ cho các thuyết minh khoa học trong báo cáo chính. Phụ lục 2: Gồm có hai nội dung „Hướng dẫn sử dụng“ sau: • Hướng dẫn nâng hạ hệ thống cột tháp. + Hướng dẫn vận hành tủ điện điều khiển. + Phụ lục 3: Bao gồm các loại mã nguồn (Listings of Source Codes) của • chương trình: chạy trên PLC Simatic S7-200, + chạy trên DSP TMS320F2812 và + trên PC (truyền thông và chẩn đoán lỗi). + Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Lời nói đầu Bản báo cáo này giới thiệu một cách chi tiết các nội dung nghiên cứu khoa học và thiết kế - chế tạo thuộc đề tài KC.06.20CN: „Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30kW phù hợp với điều kiện Việt Nam“ Hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06, ký giữa Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06 với bên chủ trì là Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang chịu trách nhiệm thực hiện. Tiếp theo lời nói đầu và danh mục các ký hiệu được sử dụng, bản báo cáo bao gồm các phần sau: Chương 1 „Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công • suất 10-30kW“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương 2 „Sản phẩm 2: Hệ thống cột theo kiểu module“. Giới thiệu về • sản phẩm có số thứ tự 2 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương 3 „Sản phẩm 3: Trạm điều khiển mặt đất“. Giới thiệu về sản • phẩm có số thứ tự 3 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Chương 4 „Sản phẩm 4: Hệ thống lưu điện“. Giới thiệu về sản phẩm có • số thứ tự 4 trong mục 17 của thuyết minh đề tài. Trong chương này, sản phẩm về „Phương pháp điều khiển hệ thống lưu điện“ có số thứ tự 1.3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài cũng được kết hợp giới thiệu. Chương 5 „Phương pháp điều khiển máy phát không đồng bộ“. Giới • thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.1 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Chương 6 „Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ kích thích vĩnh • cửu“. Giới thiệu về sản phẩm có số thứ tự 1.2 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Chương 7 „Chẩn đoán – giám sát từ xa thực trạng vận hành hệ thống • thiết bị điều khiển“. Giới thiệu về sản phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài. Chương 8 „Cấu trúc bù cosϕ cho tải ở chế độ ốc đảo“. Giới thiệu về sản • phẩm phương pháp không có trong thuyết minh đề tài. Chương 9 „Sản phẩm đào tạo: Kỹ sư, Thạc sĩ, Tiến sĩ“. Giới thiệu về sản • phẩm có số thứ tự 3 trong mục 16 của thuyết minh đề tài. Các hạng mục sản phẩm dưới dạng „Sơ đồ“ có số thứ tự 2 trong mục 16 được tập hợp trong phụ lục của báo cáo. Với nội dung như trên, báo cáo giới thiệu một cách chi tiết và đầy đủ về các sản phẩm đã đăng ký (sản phẩm vật thể như máy móc - thiết bị, hay phi vật thể
như các phương pháp điều khiển), khối lượng tuy nhiều nhưng không sa đà vào liệt kê mà vẫn bảo đảm tính chất của một báo cáo khoa học. Đề tài KC.06.20CN được hoàn thành với sự hỗ trợ tích cực và có hiệu quả của Bộ Khoa học – Công nghệ, Ban Chủ nhiệm chương trình KC.06, Ban Giám hiệu và các phòng ban liên quan của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Chủ nhiệm Đề tài xin chân thành cảm ơn các cơ quan nói trên. Xin cảm ơn Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp – đã tham gia Đề tài một cách rất có hiệu quả, góp phần sáng tạo nên hệ thống cột tháp không chỉ bền vững về kết cấu, đáp ứng tốt về công năng, mà còn hợp lý cả về kiểu dáng thẩm mỹ. Trong quá trình thực hiện Đề tài KC.06.20CN đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn về vật chất từ Công ty cổ phần Cung ứng Đầu tư và Xây lắp (tên viết tắt: SIC) như diện tích lắp đặt (≈ 4000m2), chi phí xây dựng (hệ thống móng cột, móng tời, móng giằng, nhà điều khiển), điều kiện ăn ở miễn phí cho đội ngũ Kỹ sư thi công, cùng với không khí cởi mở hợp tác giữa cán bộ nhân viên của hai đơn vị. Xin chân thành cảm ơn Công ty SIC. Không thể hoàn thành được Đề tài nếu không có nỗ lực tối đa của nhóm thực hiện thuộc Phòng thí nghiệm Tự động hóa (trường ĐHBK Hà Nội): Các Kỹ sư của nhóm đã phát huy năng lực sáng tạo để đưa Đề tài tới đích, không quản thời gian, nắng mưa, phải xa nhà nhiều tháng khi thi công, khi khắc phục hậu quả thiên tai. Một lời cảm ơn gửi tới nhóm sẽ là chưa đầy đủ: Chủ nhiệm Đề tài rất biết ơn về sự hợp tác đó. Cuối cùng, bản báo cáo đã được Chủ nhiệm Đề tài tự tay chấp bút, sử dụng các tài liệu của Đề tài, các đồ án và luận văn tốt nghiệp (nêu trong mục tài liệu tham khảo ở cuối mỗi chương). Tuy đã viết với sự cẩn trọng cao nhất, báo cáo vẫn khó tránh khỏi còn sai sót, người viết chân thành xin lỗi về các sơ suất đó và cảm ơn về các đóng góp sửa sai. Các nội dung khoa học trong báo cáo là sở hữu trí tuệ của Đề tài KC.06.20CN, việc sao chép và sử dụng báo cáo cần phải được phép của Bộ Khoa học – Công nghệ và Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN. Chủ nhiệm Đề tài KC.06.20CN PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW 1.1 Đặt vấn đề Đây là nhóm sản phẩm bao gồm hai thành phần quan trọng của hệ thống phát điện chạy bằng sức gió (PĐCSG): ■ máy phát điện và ■ turbine gió. Với mục tiêu nghiên cứu - thiết kế - chế tạo (NC-TK-CT) phục vụ nội địa hóa cả hai thành phần trên, bản thuyết minh đăng ký đề tài ban đầu (cuối năm 2003) đã đưa ra một dự toán là 3,1 tỷ VNĐ. Đây là một dự toán có cơ sở khảo sát kỹ lưỡng khả năng trong nước. Ví dụ, báo giá của các đơn vị nhận gia công theo đơn đặt hàng (đầu năm 2004, khi đang thương thảo về kinh phí với Bộ KH&CN) là: ■ ≈800,00 triệu VNĐ / 1 cánh turbine. Trong giá trên có bao gồm cả khuôn mẫu phục vụ chế tạo cánh do chúng ta mới chỉ chế tạo đơn chiếc. ■ ≈80,00 triệu VNĐ / 1 máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Đây là giá chế tạo máy phát mẫu, chưa phải là giá sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, Bộ KH&CN (sau 2 lần thay đổi) đã chỉ duyệt mức kinh phí là 2,2 tỷ VNĐ và đã đồng ý cho phép mua máy phát và turbine chế tạo sẵn của nước ngoài. Điều này thể hiện rất rõ tại trang 19 của phiên bản chung kết của „Thuyết minh Đề tài KC.06.20CN“, bộ phận của Hợp đồng NCKH & PTCN số 20CN/2004/HĐ-ĐTCT-KC.06. Vì lý do trên, đối với sản phẩm này kết quả sẽ ngừng lại ở các kết quả nghiên cứu - thiết kế (viết tắt: NC-TK), chưa có chế tạo thử. Máy phát và turbine mua về, một mặt được sử dụng trong hệ thống PĐCSG của đề tài, mặt khác, chúng cũng là vật mẫu hỗ trợ tích cực cho quá trình NC-TK phục vụ chế tạo sau này. 1.2 Máy phát điện Như đã đặt vấn đề ở trên, mục này giới thiệu khái quát các thông số của loại máy phát đang sử dụng trong hệ thống PĐCSG, là máy phát nhập về từ nước ngoài. Một nội dung quan trọng khác là các kết quả NC-TK để phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam.
2 1 Sản phẩm 1: Hệ thống máy phát điện và Turbine gió có công suất 10-30kW 1.2.1 Máy phát điện đang sử dụng trong đề tài KC.06.20CN Máy phát hiện đang lắp trên tháp phát điện (được mua của Công ty WESTWIND Windturbines, Úc) là loại đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) với các tham số như sau: Bảng 1.1 Tham số của máy phát đang sử dụng Công suất danh định 20 kW Điện áp ra danh định (pha-pha) 220 V (AC 50 Hz) Điện áp ra hở mạch khi quay ở 360 V (AC 50 Hz) tốc độ danh định (pha-pha) Dòng danh định 55 A (AC 50 Hz) Tần số 0 – 50 Hz (thay đổi theo sức gió) Điện trở Stator Rs (pha, Stator 0,41 Ω (nhiệt độ: 180oC) 0,25 Ω (nhiệt độ: 20oC) mắc hình sao) Điện cảm Stator Ls (pha, Stator 6,8 mH (thu được qua phép đo điện áp hở mạch mắc hình sao, Ls = Lsd = Lsq) và đo dòng ngắn mạch với tần số 50 Hz, có thể lớn hơn khi vận hành) Kích từ 36 cực Nd-Fe-B (nam châm vĩnh cửu) Số đôi cực 18 (36 cực với mỗi cuộn dây có 12 vòng) 166,7 vòng / phút (ứng với f = 50 Hz) Tốc độ quay danh định Mômen quán tính toàn phần 412 kgm2 (trong đó 396 kgm2 thuộc về 3 cánh turbine) Mômen không tải 50 Nm (gồm ma sát và sức hút của nam châm vĩnh cửu kích từ) Tất cả các tham số trên của máy phát đều đã được sử dụng để khảo sát mô phỏng trong quá trình NC-TK hệ thống PĐCSG. Đặc biệt, đối với các hệ thống chạy ở chế độ ốc đảo (chế độ độc lập, không hòa lưới quốc gia), biên độ điện áp từng pha tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc độ quay (tức là với tần số) của máy phát. Đối với máy phát 20kW, loại ĐB-KTVC ở trên, hệ số tỷ lệ (do nhà sản xuất cung cấp) được minh họa rõ trong công thức dưới đây: ⎧u = U sin (2π ft ) ⎪ su ⎪ ⎪ ⎪ ⎪u = U sin (2π ft + 2π 3) với U = 5,88 f (1.1) ⎨ sv ⎪ ⎪ ⎪u = U sin (2π ft − 2π 3) ⎪ sw ⎪ ⎩ f = tần số công tác [Hz], t = thời gian [s] Đây là đặc điểm cần phải được đặc biệt chú ý trong quá trình mô phỏng nghiên cứu và thiết kế cụ thể. Thêm vào đó, do đặc điểm tần số máy phát (tốc độ quay) biến thiên trong một dải khá rộng 0 – 50Hz, khiến cho điện kháng phức nội của máy phát cũng thay đổi phụ thuộc tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Nói
1.2 Máy phát điện 3 cách khác, điện áp rơi trên điện cảm của máy phát cũng có biên độ phụ thuộc tốc độ quay. 1.2.2 Thiết kế máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu phục vụ tự chế tạo sau này tại Việt Nam Máy phát ĐB-KTVC được thiết kế sẵn sàng để phục vụ cho quá trình tự chế tạo sau này tại Việt Nam. Tuy nhiên, cần phải nói rõ ràng: Bản thiết kế này mới chỉ đủ để sử dụng cho việc chế tạo thủ công đơn chiếc. Để đưa vào sản xuất hàng loạt còn phải thực hiện thiết kế quy trình công nghệ phù hợp với quy mô sản xuất lớn, điều chưa thể đặt ra trong khuôn khổ đề tài này. Các tham số mục tiêu cần đạt của thiết kế chính là các tham số trong bảng 1. 1.2.2.1 Xác định các kích thước cơ bản Trong mục này, bản tính toán đưa ra các kích thuớc cơ bản về mặt điện từ để cấu thành nên một máy phát điện với công suất như đã định. a) Các kích thước chính của mạch từ ■ Điện áp pha: Để quấn và lồng dây được thuận lợi, chọn sơ đồ nối dây hình tam giác. U f = U d = 220V (1.2) ■ Dòng điện: Với cosϕ = 0.95 chọn sơ bộ theo kiểu máy. 20 ⋅ 103 P Id = = 55 A = 3 U cos ϕ 3 ⋅ 220 ⋅ 0,95 (1.3) I 55 If = d = = 31,75 A 3 3 ■ Công suất tính toán. P ' = ke Pdm = 1,07 ⋅ 20 = 21,4kW (1.4) ■ Chọn sơ bộ bước răng Stator. t = 1,4cm ■ Bước cực của máy: Ở đây chọn số rãnh của một pha dưới một cực q =1 τ = t m q = 1,4 ⋅ 3 ⋅ 1 = 4,2cm (1.5) ■ Đường kính ngoài của Stator: τ 2 p 4,2 ⋅ 36 (1.6) Ds = = 48,15cm = 3,14 π ■ Chiều dài lõi thép: 6,1 ⋅10−7 p ' lδ = (1.7) 2 αδ ks kd A Bδ Ds n