SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 9
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP DFIG TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ
STUDY OF OPERATINGCHARACTERISTICS OF DFIG DUAL EXCITATION INDUCTION WIND GENERATORS IN SMALL POWER MICROGRID Chu Thanh Bình1,*, Phan Hồng Quang2, Nguyễn Văn Hùng2 , Phùng Thị Vân3 TÓM TẮT Nguồn điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ cảm ứng kích từ kép (Doubly-Fed Induction Generator) được sử dụng tương đối phổ biến do mang nhiề
u tính
năng ưu việt. Phương pháp hiệu quả trong việc cải thiện độ ổn định trong lưới điệ
n
thông qua bộ biến đổi công suất là sử dụng bộ lưu điện. Bài báo đề xuất mộ
t mô
hình máy phát điện DFIG kết hợp với bộ lưu điện trong nối lưới bộ biến đổi DC-
AC
Converter là giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạ
o và
cải thiện độ ổn định lưới điện nhỏ. Bài báo cũng đã tiến hành mô phỏ
ng quá trình
cải thiện điện áp và tần số trong lưới điện ở cả hai chế độ nối lưới và tách lưới đểtrên công cụ Matlab/Simulink. Từ khóa: Máy phát điện đồng bộ cảm ứng kích từ kép, bộ lưu điện, bộ biến đổ
i
công suất, máy phát đồng bộ, lưới điện nhỏ. ABSTRACT Wind power using a double-
(Doubly-
Fed Induction Generator) is relatively commonly used due to its many
superior features. An effective method of improving grid stability through power
converters is to use uninterrupt
ible power supplies. This article proposes a DFIG
generator model combined with a grid-connected DC-
AC Converter as an effective
solution to optimize the use of renewable energy and improve microgrid stability.
The article also simulated the process of imp
roving voltage and frequency in
the power grid in both grid-connected and off-
grid modes using the
Matlab/Simulink tool. Keywords: Doubly-Fed induction generator
, battery energy storage system,
converter, synchronous generator, microgrid. 1Lớp Điện 05 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Điện 08 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: binhchuthanh1410@gmai.com 1. GIỚI THIỆU Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại hàng ngày của cuộc sống con người. Phần lớn sản xuất năng lượng đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như than đá và khí đốt tự nhiên. Với mối quan tâm ngày càng tăng về việc phát thải khí nhà kính và giảm khả năng của các nguồn tài nguyên không thể tái tạo, việc tiêu thụ các nguồn năng lượng tái tạo đang được chú ý nhiều hơn. Năng lượng gió đã trở thành một trong những nguồn tài nguyên đang phát triển nhất do có tác động thấp đến môi trường, giảm chi phí và lợi ích khác. Sự phát triển của các công nghệ mới để phát điện gió dẫn đến việc triển khai các tua-bin gió có tốc độ thay đổi, được ưa chuộng hơn thay vì tua-bin có tốc độ cố định, do hiệu quả cao hơn trong việc thu được nhiều năng lượng hơn [1]. Trong DFIG, cuộn dây stato được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi cuộn dây rôto được kết nối thông qua các vòng trượt và bộ chuyển đổi nguồn điện áp nối tiếp. Bộ chuyển đổi ở phía lưới được gọi là bộ chuyển đổi phía lưới (GSC) và ở phía rôto là bộ chuyển đổi phía rôto (RSC). Một trong số các phương pháp đó hướng tới kết hợp giữa DFIG Wind Turbine và bộ lưu điện (Battery Energy Storage System). DFIG được sử dụng rộng rãi trong việc tạo ra điện từ nguồn gió, còn BESS là một hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên pin sạc lại. Kết hợp giữa hai công nghệ này cho phép tối ưu hóa việc sản xuất và lưu trữ năng lượng từ nguồn gió, giúp đảm bảo ổn định lưới điện và tăng khả năng cung cấp năng lượng. Thật vậy, bộ lưu điện được sử dụng để điều chỉnh tần số và điện áp của nguồn điện được tạo ra bởi DFIG Wind Turbine, giúp tối ưu hóa việc đưa năng lượng vào lưới điện. Khi sức gió đủ mạnh, DFIG sẽ tạo ra năng lượng và sử dụng BESS để lưu trữ năng lượng dư thừa. Khi sức gió yếu hoặc hết, BESS đóng vai trò Grid Forming để cung cấp năng lượng vào lưới điện. Việc kết hợp giữa DFIG và BESS giúp giảm tải trên lưới điện, đảm bảo ổn định điện áp và tần số và tăng khả năng cung cấp năng lượng [4]. Tuy nhiên, lưới điện đang dần được thông qua sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng tái tạo, hầu hết trong số đó sử dụng giao diện chuyển đổi điện tử công suất. Những công nghệ này đang thay thế phụ tải thông thường vốn để đảm bảo sự ổn định của lưới điện. Do đó, các yêu cầu mới được đặt ra đối với các máy phát điện dựa trên công suất điện tử để hỗ trợ lưới điện tương tự như phụ tải, do đó tính ổn định và độ bền của lưới điện không bị ảnh hưởng. Sự ổn định của hệ thống và hoạt động mạnh mẽ có thể được đảm bảo khi không có phụ tải, với điều kiện là thế hệ dựa trên điện tử đủ năng lượng thể hiện khả năng tạo lưới (GFM) của nó [2], do cung cấp quán tính vốn có của chúng [5].
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
10
KHOA H
ỌC
Nhằm cải thiện điện áp và tần số trong lưới điện, bài báo đề xuất sử dụng mô hình DFIG kết hợp với bộ lưu điện để giữ lưới điện ổn định và đảm bảo an toàn trong hoạt động của hệ thống. Hiệu quả của phương pháp đề xuất được xác minh bằng mô phỏng trên công cụ Matlab/Simulink. 2. MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN CẢM ỨNG KÍCH TỪ KÉP (DFIG) DFIG là máy cảm ứng rôto dây quấn ba pha. Phía rôto được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi AC-DC Converter và các cuộn dây stato được nối với mạng bằng máy biến áp. Do mạch stato và rôto được cấp điện độc lập, máy phát điện này có hai chế độ hoạt động. Ở chế độ siêu đồng bộ, có nguồn điện đưa vào mạng thông qua cuộn dây rôto và stato. Ở chế độ đồng bộ phụ, chỉ có việc cung cấp năng lượng qua stato và hấp thụ năng lượng qua bộ biến đổi DC-AC Converter [3]. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống DFIG Hệ thống điều khiển bao gồm hai bộ chuyển đổi: bộ chuyển đổi phía máy phát (RSC) và bộ chuyển đổi phía nối lưới (GSC). RSC điều chỉnh việc tạo ra công suất hoạt động và phản kháng của stato DFIG và GSC duy trì điện áp ở liên kết DC, bất kể hướng của công suất bộ chuyển đổi và điều khiển công suất phản kháng được truyền bởi bộ chuyển đổi. Thông tin chi tiết khác về mô hình động và trạng thái ổn định DFIG cũng như các vòng điều khiển RSC và GSC có thể được tìm thấy trong [4]. 2.1. Mô hình toán học tuabin gió Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió. Các tuabin gió tương tác với gió, hấp thụ một phần năng lượng động học của gió và biến nó thành năng lượng sử dụng được. Công suất của luồng gió được tính như sau: 23mpwP0,5ρRC(β,λ)V
(1)
Trong đó: Pm là công suất cơ của tuabine (W), ρ là mật độ không khí (kg/m3) (ρ = 1,225 kg/m3), Vw tốc độ gió (m/s), R bán kính cánh quạt tuabin, Cp (λ,) là hệ số công suất của tuabin, λ là tỷ lệ tốc độ đầu cánh, β là góc lật cánh. Momen cơ trên trục tuabin được xác định như sau: mmmPTω
(2)
Với ωm là vận tốc góc của tuabin. Hệ số công suất phụ thuộc tỷ lệ tốc độ đầu cánh và góc lật cánh theo công thức sau: 5p46
2i13i
ccλC(λ,β)c(cβc)ecλλ
(3)
Với c1 = 0,5176; c2 = 116; c3 = 0,4, c4 = 5, c5 = 21, c6 = 0,0068
3i
110,035λλ0,08β1β
(4)
2.2. Điều khiển bộ biến đổi phía máy phát RSC Hình 2. Sơ đồ điều khiển cho RSC Bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển chính bởi vòng lặp điều khiển dòng điện được thể hiện trên hình 2. Với các tín hiệu đầu vào là các sai lệch dòng điện đo được so với dòng tham chiếu, tín hiệu đầu ra là các tín hiệu điện áp được đưa vào bộ tạo xung điều khiển PWM. 2.3. Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới GSC Mục tiêu chính của bộ chuyển đổi phía lưới là điều khiển điện áp một chiều DC. Các vòng lặp điều khiển của bộ biến đổi phía lưới bao gồm vòng điều khiển dòng bên trong, điều khiển dòng điện qua bộ lọc lưới và vòng điều khiển chậm hơn bên ngoài điều khiển điện áp liên kết DC. Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi GSC được mô tả trong hình 3. Hình 3. Sơ đồ điều khiển cho GSC 3. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BỘ LƯU ĐIỆN Mô hình BESS được kết nối với lưới điện siêu nhỏ được trình bày trong hình 4. Mô hình BESS bao gồm bộ lưu điện, bộ chuyển đổi điện áp một chiều DC-DC và bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều DC-AC. Hình 4. Mô hình điều khiển BESS
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 11
4. MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT Bằng cách kết hợp DFIG với BESS, hệ thống có thể giúp giải quyết một số thách thức liên quan đến sản xuất điện gió, chẳng hạn như tính gián đoạn của gió và sự thay đổi của sản lượng điện gió. Bộ chuyển đổi năng lượng được sử dụng trong DFIG cũng có thể được sử dụng để điều khiển quá trình sạc và xả của bộ lưu điện. Nhìn chung, DFIG kết hợp với bộ lưu điện có thể tăng độ tin cậy và ổn định của việc phát điện gió, đồng thời giúp giảm chi phí chung cho việc lưu trữ và phân phối năng lượng. Bài báo đề xuất một mô hình điều khiển tần số và điện áp lưới điện trong cả hai chế độ nối lưới và tách lưới dựa trên hệ nguồn lai DFIG kết hợp với bộ lưu điện được thể hiện trong hình 5. Hình 5. Mô hình hệ thống tổng thể DFIG kết hợp bộ lưu điện 5. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Nhằm đánh giá tính hiệu quả của xây dựng mô hình máy phát điện gió DFIG kết hợp với bộ lưu điện. Trong điều kiện vận tốc gió thay đổi và các phụ tải thay đổi. Sơ đồ nghiên cứu trong hình 6 được xây dựng trên phần mềm Matlab/Simulink. Hình 6. Sơ đồ lưới nghiên cứu Hai kịch bản điều khiển lưới điện sử dụng hệ thống DFIG kết hợp với bộ lưu điện là lưới điện ở chế độ nối lưới và chế độ tách lưới được đề xuất trong bài báo này. Hiệu quả của mô hình điều khiển đề xuất đưa ra các đáp ứng về công suất, tần số và điện áp. Quá trình mô phỏng diễn ra khi hệ thống bộ lưu điện nối lưới tại thời điểm bắt đầu với tốc độ gió là 10 m/s, phụ tải 1 được cấp điện với công suất 1,5MW. Tại thời điểm 15s hệ thống xảy ra sự cố trên lưới điện. Điện áp và tần số của lưới điện ở chế độ nối lưới. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số và điện áp xoay chiều được GSC duy trì ổn định. Công suất đầu ra nguồn điện gió DFIG được đề xuất là tổng công suất của phía stato và phía rôto của DFIG. Công suất đầu ra của phía rôto được điều khiển bởi GSC nhờ vào vai trò của bộ lưu điện. Áp dụng mô hình sạc và xả bộ lưu điện. Nhờ đó, điện áp và tần số của lưới điện được kiểm soát ổn định trong phạm vi cho phép. Nhờ có sự tham gia của vòng lặp điều điều khiển điện áp kết hợp với điều khiển độ dốc giữ điện áp lưới trong giới hạn trước khi có sự can thiệp của các cấp điều khiển cao hơn. 6. KẾT LUẬN Nghiên cứu đã tiến hành xây dựng mô hình của nguồn điện gió DFIG cũng như bộ lưu điện BESS. Nhóm cũng đã tiến như mô phỏng các kịch bản khác nhau nhằm đưa ra các đánh giá các thông số trong các kịch bản đó, đặc biệt các thay đổi điện áp và tần số khi lưới điện nhỏ ngắt khỏi lưới hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. R. Cárdenas, R. Peña, G. Asher, J. Clare, 2001. Control Strategies for Enhanced Power Smoothing in Wind Energy Systems Using a Flywheel Driven by a Vector-Controlled Induction Machine. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 48, 3. [2]. C. Abbey, G. Joos, 2007. Supercapacitor energy storage for wind energy applications. IEEE Trans Ind Appl, 43, 3, 769–776, doi: 10.1109/TIA.2007.895768. [3]. M. E. Hossain, 2018. Improvement of transient stability of DFIG based wind generator by using of resistive solid state fault current limiter. Ain Shams Engineering Journal, 9, 4, 2557–2570, doi: 10.1016/j.asej.2017.03.014. [4]. J. J. Justo, F. Mwasilu, J. W. Jung, 2015. Doubly-fed induction generator based wind turbines: A comprehensive review of fault ride-through strategies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 447–467. doi: 10.1016/j.rser.2015.01.064. [5]. Q. Li, S. S. Choi, Y. Yuan, D. L. Yao, 2011. On the determination of battery energy storage capacity and short-term power dispatch of a wind farm. IEEE Trans Sustain Energy, 2, 2, 148–158, doi: 10.1109/TSTE.2010.2095434.