So sánh các phương pháp điều khiển dòng điện cho hệ thống turbine gió dùng DFIG

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đã trình bày các kết quả nghiên cứu và đánh giá các giải pháp điều khiển để thấy được khả năng vượt trội của chúng. Phương pháp dùng điều khiển dòng điện dùng PIR thể hiện đáp ứng vận hành tốt nhất thông qua việc giảm nhiều dao động công suất của máy phát không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) khi có giảm áp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: So sánh các phương pháp điều khiển dòng điện cho hệ thống turbine gió dùng DFIG

SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG TURBINE GIÓ DÙNG DFIG TÓM TẮT ThS. TRƯƠNG TRUNG HIẾU Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM Máy phát điện gió loại không đồng bộ ba TS. VĂN TẤN LƯỢNG pha nguồn kép rất nhạy cảm với các nhiễu của Trường ĐH Công nghiệp thực phẩm TP.HCM lưới, đặc biệt là trong trường hợp điện áp lưới PGS.TS. NGUYỄN HÙNG Trường ĐH Công nghệ TP.HCM không cân bằng. Thông thường, dao động công suất tăng do sự xuất hiện các thành phần thứ tự thuận và nghịch của dòng điện và điện áp. Các giảm dao động của mô men máy phát mà không phương pháp dùng điều khiển dòng điện như bộ đòi hỏi thông số của máy phát. Tuy nhiên, bộ điều khiển tích phân-tỉ lệ (PI), bộ điều khiển cộng điều khiển dòng rotor không dễ thiết kế và thực hưởng-tích phân-tỉ lệ (PIR) và kĩ thuật điều khiển hiện để điều khiển cả thành phần DC trong hệ tuyến tính hóa hồi tiếp khi có điện áp lưới không tọa độ quay (synchronous reference frame) và cân bằng. Bài báo đã trình bày các kết quả nghiên dòng rotor cần bồi hoàn tại tần số gấp đôi tần cứu và đánh giá các giải pháp điều khiển để thấy số dòng cơ bản. Trong [3], dao động mô men được khả năng vượt trội của chúng. Phương pháp được sử dụng như ngõ vào của bộ điều khiển dùng điều khiển dòng điện dùng PIR thể hiện đáp để tạo ra điện áp rotor cần bồi hoàn. Tuy nhiên, ứng vận hành tốt nhất thông qua việc giảm nhiều các bộ điều khiển này đã được thiết kế một cách dao động công suất của máy phát không đồng bộ kỹ lưỡng cho cả thành phần DC và thành phần ba pha nguồn kép (DFIG) khi có giảm áp. dòng điện tần số 2ω. 1. GIỚI THIỆU Trong bài báo này, các phương pháp điều N khiển dòng điện như bộ điều khiển tích phân- gày nay, DFIG trở thành máy phát điện phổ biến nhất trong hệ thống phát điện tỉ lệ kép (dual PI) theo trục d và q của thành gió. Thứ nhất, DFIG có thể cấp nguồn phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch, kỹ thuật cho lưới tại điện áp không đổi và tần số không tuyến tính hóa hồi tiếp (FL) và điều khiển cộng đổi trong khi rotor có thể hoạt động ở chế độ hưởng-tích phân- tỉ lệ (PIR) được áp dụng. dưới mức đồng bộ hoặc chế độ trên mức đồng Trước tiên, cơ sở lí thuyết về các phương pháp bộ. Thứ hai, định mức của bộ chuyển đổi năng điều khiển dòng điện rotor đã được giới thiệu và lượng chỉ chiếm khoảng 30% công suất định phân tích. Sau đó, các kết quả mô phỏng từ việc mức của tua-bin gió. Thứ ba, công suất tác dụng mô phỏng hệ thống năng lượng gió dùng DFIG và công suất phản kháng của máy phát có thể công suất 2 MW ứng với các phương pháp điều được điều khiển một cách độc lập. khiển khác nhau được cung cấp để so sánh và Trong các trường hợp nhiễu loạn lưới, sự đánh giá ưu và khuyết của từng phương pháp. cố lưới không cân bằng xảy ra thường xuyên 2. ĐIỀU KHIỂN DFIG TRONG TRƯỜNG nhất. Vấn đề nghiêm trọng nhất khi điện áp HỢP ĐIỆN ÁP LƯỚI KHÔNG CÂN BẰNG lưới không cân bằng là dao động của công suất stator và mô men điện từ, ảnh hưởng đến độ ổn Trong trường hợp điện áp nguồn không định lưới được kết nối và các thành phần cơ khí cân bằng, công suất toàn phần stator được viết của tua-bin gió [1]. Bên cạnh đó, độ dao động như sau: điện áp có thể được tạo ra trong DC-link do các dao động công suất sinh ra khi có sự cố. s s* S s = 1.5vdqs idqs (1) Điều khiển hệ thống DFIG trong trường Trong đó: hợp lưới không cân bằng đã được nghiên cứu trong [2], [3] và [4]. Trong [2], dòng điện tham s vdqs = e jω e t vdqs p + e j (−ω e )t vdqs n chiếu cần bồi hoàn đã được tính toán nhằm làm 20 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
phần thứ tự thuận và nghịch s idqs = e jω e t idqs p + e j (−ω e )t idqs n Công suất tác dụng và công suất phản kháng stator tức thời đạt được như sau: p s (t ) = Ps 0 + Psc 2 ⋅ cos(2ωe t ) + Ps 2 ⋅ sin (2ωe t ) (2) p n p n Lưới DFIG DFIG Tách thành phần thứ vdqs , vdqs , idqs , idqs ωr tự thuận và thứ tự q s (t ) = Qs 0 + Qsc 2 ⋅ cos(2ωe t ) + Qs 2 ⋅ sin (2ωe t ) p n (3) Encoder ibr nghịch idqr , idqr Trong đó: iar Điều khiển thành phần thứ tự thuận vdr p∗ i p∗ dr * abc Bộ điều ( ) p∗ v khiển dòng iqr p∗ qr dq Ps 0 = 1.5 vdsp ⋅ idsp + vqsp ⋅ iqsp + vdsn ⋅ idsn + vqsn ⋅ iqsn PWM ∗ vabcr + điện PWM ( ) converter + Điều khiển thành phần thứ tự nghịch n∗ p v n∗ idr ⋅ idsp SVPWM P s c 2 = 1.5 vds ⋅ idsn + vqsp ⋅ iqsn + vdsn + vqsn ⋅ iqsp abc dr Bộ điều n∗ khiển dòng iqr v n∗ dq qr ( ) điện Ps 2 = 1.5 vqsn ⋅ idp − vdsn ⋅ iqp − vqsp ⋅ idp − vdsn ⋅ iqn Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện Qs 0 = 1.5(v p qs ⋅ idsp − vdsp ⋅ iqsp + vqsn ⋅ idsn − vdsn ⋅ iqn ) máy phát dùng PI kép. Qsc 2 = 1.5(v p qs ⋅ idsn − vdsp ⋅ iqsn + vqsn ⋅ idsp − vdsn ⋅ iqsp ) Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát ở bộ nghịch lưu phía máy phát (RSC) được thể Qs 2 = 1.5(v p ds ⋅ idsn + vqsp ⋅ iqsp − vdsn ⋅ idsp − vqsp ⋅ iqsp ) hiện ở hình 1. Phía rotor của hệ thống tua-bin Công suất toàn phần máy phát được tính gió dùng DFIG được kết nối với lưới thông qua như sau: bộ biến đổi công suất (back-to-back converters), quyết định vận hành của DFIG. Nếu thông số ( s s* ST = 1.5 vdqs s idqs + vdqr s* idqr ) (4) bộ điều khiển dòng điện dùng PI được thiết Trong đó: kế hợp lý, dao động công suất tác dụng và mô men có thể được giảm nhiều khi có sự cố lưới. s vdqr = e j (ω e −ω r )t vdqr p + e j (−ω e −ω r )t vdqr n Tuy nhiên, rất khó để có được thông số bộ điều s idqr = e j (ω e −ω r )t idqr p + e j (−ω e )t idqr n khiển PI vì nó chịu ảnh hưởng bởi nhiễu của Dòng điện tham chiếu để làm giảm dao lưới. động của công suất được tính toán như sau: 1.2 Điều khiển dòng điện rotor máy phát dùng kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp Trong trường hợp điện áp lưới không cân bằng, điện áp, dòng điện và từ thông có chứa −1 idp* (t ) vdsp vqsp vdsn vqsn 1.5Ps*0 cả thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch. iqp* (t ) vqsp −vdsp vqsn −vdsn 0 Phương trình điện áp rotor trong hệ tọa độ = (5) idn* (t ) vqsn −vdsn −vqsp vdsp − Pss* 2 quay dq được thể hiện như sau: iqp* (t ) vdsn vqsn vdsp vqsp − Psc* 2 Trong đó, công suất tác dụng stator tham didrp L chiếu, P , đạt được từ phương pháp điều khiển * vdrp = Rr idrp + σ Lr − (ωs − ωr ) m λqsp − (6) s0 dt Ls phát công suất cực đại (MPPT) và công suất − (ωs − ωr ) σ Lr iqrp phản kháng stator, Qs*0 thường được cài đặt bằng 0 [5]. Công suất phản kháng lưới có thể diqrp Lm p vqrp = Rr iqrp + σ Lr + ( ω s − ωr ) λds + (7) được điều khiển theo giá trị tham chiếu ( Q * dt Ls grid ) và giá trị này có thể được cài đặt theo yêu cầu + (ωs − ωr ) σ Lr idrp của lưới. Khi giá trị công suất stator đạt đến giá trị tham chiếu, bộ nghịch lưu phía rotor sẽ trở didrn L vdrn = Rr idrn + σ Lr − ( −ωs − ωr ) m λqsn − (8) về chế độ điều khiển thông thường. dt Ls 1.1 Điều khiển dòng điện rotor của máy − ( −ωs − ωr ) σ Lr iqrn phát dùng bộ điều khiển PI kép cho thành BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 21
trong (10) được thể hiện trong (12) và (13) là: T T T x = idrp iqrp ; u = vdrp vqrp ; y = h( x ) = idrp iqrp diqrn L vqrn = Rr iqrn + σ Lr + ( −ωs − ωr ) m λdsn + dt Ls (9) Lấy đạo hàm ngõ ra, ta được: + ( −ωs − ωr ) σ Lr idrn L2m A A( x) = Trong đó: σ Lr = Lr − Ls Lr B (14) Mô hình phi tuyến của DFIG phía rotor Trong đó: được thể hiện như sau: 1 1 0 vdrp i p A σ Lr 0 v p A( x) = A , E ( x ) = σ Lr và u = dr = + dr B 1 vqrp i p B 1 v p (10) 0 qr 0 qr σ Lr σ Lr Nếu ngõ vào điều khiển u được chọn là 1 0 in C σ Lr vdrn (11) dr n = + u = E −1 (x )[− A(x ) + v ] (15) iqr D 1 vqrn 0 σ Lr Trong đó: v là đầu vào điều khiển tương Trong đó: đương được xác định: − Rr p A= i + (ωs − ωr ) iqrp v1 σ Lr dr y=v= (16) v2 − Rr p L2 i p B= iqr − (ωs − ωr ) m ms − (ωs − ωr ) idrp Ngõ vào điều khiển mới với điều khiển tích σ Lr σ Lr Ls phân được cho bởi: − Rr n C= i + ( −ωs − ωr ) iqrn σ Lr dr v1 y1* + k1e1 + k2 ∫ e1 dt − Rr n L i 2 n = (17) D= iqr − ( −ωs − ωr ) − ( −ωs − ωr ) idrn m ms σ Lr σ Lr Ls v2 y2* + k21e2 + k22 ∫ e2 dt Kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp là một phương pháp loại bỏ tính chất phi tuyến của hệ Trong đó: e1 = y1* − y1 và e2 = y2* − y2 . y1* và y1 lần thống sao cho đáp ứng quá độ của vòng lặp kín lượt là giá trị tham chiếu của y1 và . được giảm ở hình thức tuyến tính. e1 + k11e1 + k12 e1 = 0 e2 + k21e2 + k22 e2 = 0 Xét hệ thống đa ngõ vào và đa ngõ ra Phương trình (17) có thể được viết như sau: (MIMO) sau [6], [7]: x = f ( x) + gu (12) e1 + k11e1 + k12 e1 = 0 (18) y = h(x) (13) e2 + k21e2 + k22 e2 = 0 Trong đó: x là vec-tơ trạng thái, u là ngõ vào Trong đó: k11, k12, k21 và k22 là các hằng số, có điều khiển, y là ngõ ra, f và g là các trường vec- giá trị dương [7]. tơ và h là hàm vô hướng. Mô hình phi tuyến của DFIG ở phía rotor 22 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Thứ tự thuận yếu được điều khiển bởi bộ điều khiển PI, trong s i khi đó tín hiệu AC tần số 2ωs được điều khiển + p* p* k21 k11 + dr dr vdrp* + v1 + s hoàn toàn bằng bộ điều khiển cộng hưởng (R). − ++ i pp dr dr u = E −1 ( x ) − A ( x ) + v ++ s v p* dqr vqrp* iqrqrp* p* + Sa k22 k21 + 1 . K Ế T Q UẢ M Ô P H Ỏ N G + v2 + Sb dq s − i qrqrpp Sc SVPWM abc i Việc mô phỏng cho hệ thống máy phát n* n* k vdrn* k pi + ii dr dr vdqrn* s − + idrdrnn DFIG được thực hiện bằng phần mềm mô ++ ++ vqrn* k pi + k i i + iqrqrn* n* phỏng PSCAD/EMTDC. Máy phát DFIG được s sử dụng trong mô phỏng có giá trị định mức − iqrqrnn Thứ tự nghịch là 2 [MW] tương ứng với tốc độ gió định mức Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy là 10 [m/s]. Điện áp lưới 690 [V]/ 60 [Hz]. phát dùng kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp. Điện áp pha A giảm 12% (sự cố) được xem xét Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát trong nghiên cứu này. Ban đầu, hệ thống chạy ở bộ nghịch lưu phía máy phát (RSC) được thể với trường hợp điện áp lưới bình thường (cân hiện như hình 2, trong đó thành phần dòng bằng). Sau đó, điện áp lưới bị sự cố bắt đầu tại điện thứ tự thuận dùng kĩ thuật tuyến tính hóa thời điểm 1,5 giây và kết thúc sự cố ở thời điểm hồi tiếp và dòng điện thứ tự nghịch dùng bộ 2 giây. điều khiển tích phân-tỉ lệ (PI). Thông số của tua-bin gió và máy phát DFIG 1.3 Điều khiển dòng điện rotor máy phát lần lượt được thể hiện trong Bảng 1 và 2. dùng bộ điều khiển cộng hưởng-tích phân-tỉ Bảng 1. Thông số của tua-bin gió lệ (PIR) Thông số Giá trị Công suất định mức 2 MW Tách các thành Lưới phần ωr DFIG DFIG Bán kính cánh quạt 39 m vdqs p idqs p vdqs n i ndqs Encoder i br Tách các thành idqr∗ p Cường độ không khí 1,225 kg/m3 phần n∗ idqr iar Hệ số chuyển đổi công suất vdrp∗ PIR + + i drp∗ 0,4 PWM dq cực đại - + PWM converter abc vqrp∗ PIR + + iqrp∗ i drn∗ + Tốc độ gió cận dưới 3 m/s - i p idrp abc - dq qr + dq abc iqrn∗ θ sl p θ sl n Tốc độ gió cận trên 25 m/s Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy Hệ số quán tính cánh quạt 6,3x106 kg.m2 phát dùng PIR. Bảng 2. Thông số của DFIG Sơ đồ khối điều khiển dòng điện máy phát ở bộ nghịch lưu phía máy phát (RSC) được thể Thông số Giá trị hiện ở hình 3. Hàm truyền của bộ cộng hưởng- Công suất định mức 2 MW tích phân-tỉ lệ (PIR) được thể hiện như sau: Điện áp lưới 33 kV kI 2k Điện áp stator 690 V PIR ( s ) = k P + + 2 R2 s (19) s s + ω 20 Điện trở stator 0.00488 p.u Điện trở rotor 0.00549 p.u Trong đó: k p , ki và kr lần lượt là hằng số tỉ lệ, tích phân và cộng hưởng, và ω 20 là tần số Điện cảm rò stator 0.0924 p.u có giá trị gấp đôi tần số cơ bản ( ω20 = 2ωs ). Điện cảm rò rotor 0.0995 p.u Với bộ điều khiển PIR, thành phần DC chủ Hệ số quán tính máy phát 200 kg.m2 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 23
Hình 4 thể hiện kết quả vận hành của DFIG phát khi có sự cố lưới như bộ điều khiển tích với việc điều khiển vector từ thông stator và sử phân-tỉ lệ kép (dual PI) theo trục d và q của dụng bộ điều khiển tích phân-tỉ lệ kép theo trục thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch, kỹ d và q của thành phần thứ tự thuận và thứ tự thuật tuyến tính hóa hồi tiếp (FL) và điều khiển nghịch (Hình 4 (A)), kỹ thuật tuyến tính hóa cộng hưởng-tích phân- tỉ lệ (PIR) đã được hồi tiếp (Hình 4 (B)) và điều khiển cộng hưởng- nghiên cứu trong bài báo để làm giảm dao động tích phân-tỉ lệ (Hình 4 (C)) trong trường hợp công suất máy phát. Kết quả mô phỏng dùng điện áp lưới không cân bằng. phần mềm PSCAD cho hệ thống năng lượng Như thể hiện trong hình 4 (C), độ dao động gió DFIG công suất 2 MW được đưa ra để kiểm của dòng điện rotor giảm nhiều, so với dòng chứng tính vượt trội của từng phương pháp. điện rotor trong trường hợp dùng bộ điều khiển Mỗi phương pháp pháp điều khiển có ưu điểm tích phân-tỉ lệ kép và kỹ thuật tuyến tính hóa hồi và khuyết điểm riêng. Tuy nhiên, so với phương tiếp. Ngoài ra, độ dao động mô men, công suất pháp dùng bộ điều khiển tích phân-tỉ lệ kép tác dụng và công suất phản kháng stator giảm theo trục d và q của thành phần thứ tự thuận đi đáng kể. Do đó, điều khiển cộng hưởng-tích và thứ tự nghịch và kỹ thuật tuyến tính hóa hồi phân- tỉ lệ cho ra kết quả vận hành điều khiển tiếp thì phương pháp dùng bộ điều khiển cộng tốt hơn. hưởng-tích phân- tỉ lệ vượt trội hơn vì có thể 4. KẾT LUẬN làm giảm dao động dòng điện, công suất đến giá trị thấp nhất. Các phương pháp điều khiển dòng điện máy Hình 4: Kết quả vận hành của hệ thống trong trường hợp điện áp pha A giảm 12% dùng ba phương pháp điều khiển: (A) PI kép. (B) Kĩ thuật tuyến tính hóa hồi tiếp. (C) PIR. (a). Điện áp lưới. (b). Điện áp tụ DC-link. (c). Dòng điện rotor. (d). Công suất tác dụng stator. (e). Công suất phản kháng stator. (f) Mô men máy phát. 24 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. L. Xu and Y. Wang,”Dynamic modeling On Energy Conv., vol. 22, no. 1, pp. 129-135, and control of DFIG-based wind turbines under March 2007. unbalanced network conditions,” IEEE Trans. on Power System, vol. 22, no.1, pp. 314 - 323, 5. K.-H. Kim, T. L. Van, D.-C. Lee, S.- Feb., 2007 H. Song, and E.-H. Kim, “Maximum Output Power Tracking Control in Variable-Speed Wind 2. T. Brekken and N. Mohan, “A novel Turbine Systems Considering Rotor Inertial doubly-fed induction wind generator control Power”, IEEE Trans. Ind. Electro., Vol. 60, No. 8, scheme for reactive power control and torque , pp. 3207-3217, Aug. 2013. pulsation compensation under unbalanced grid voltage conditions,” IEEE PESC Conf 6. T. L. Van, L. M. T. Huynh, T. T. Trang, D. Proc., vol. 2, pp. 760 - 764, 2003. C. Nguyen, “Improved Control Strategy of Three- Phase Four-Wire Inverters Using Sliding Mode 3. T. Brekken, N. Mohan, and T. Undeland, Input-Ouput Feedback Linearization under “Control of a doubly-fed induction wind generator Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”, under unbalanced grid voltage conditions,” The International Conference on. Advanced in Proc. Europe Conf. Power Electronics Engineering – Theory and Applications 2015 Applications, Sep. 2005. (AETA 2015), Vietnam, Dec. 2015. 4. T. Brekken and N. Mohan, “Control of 7. J. J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear a doubly fed induction wind generator under Control. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, unbalanced grid voltage conditions,” IEEE Trans. 1991, pp. 207–271. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHÔNG THỂ CUNG CẤP ĐIỆN CHO PHỤ TẢI NỀN, CÓ ĐÚNG KHÔNG? (LƯỢC DỊCH) KS. CV cao cấp LÊ HẢI SƠN Hội Điện lực miền Nam C húng ta thường nghe nói rằng các loại năng lượng tái tạo ví dụ điện gió hoặc điện mặt trời không thể cung cấp điện cho phụ tải nền ( nghĩa là cung cấp điện 24/7). chạy nền thì vận hành 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần, trừ phi bị sự cố. Các nhà máy đó có chi phí vốn lớn và chi phí vận hành thấp. Các nhà máy điện chạy nền truyền thống thường là chạy bằng than, hoặc tại một số nước, điện Người ta nói rằng: “ Mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm và không phải lúc nào gió cũng nguyên tử. Muốn khởi động từ trạng thái lạnh thổi”. Muốn biết sự thật về việc này, chúng ta thì các nhà máy đó mất cả ngày và không linh cần hiểu sâu một số vấn đề. hoạt trong việc đáp ứng sự biến đổi của biểu đố phụ tải hàng ngày. Trái lại, các nhà máy điện Như chúng ta đã biết, việc tích trữ điện trên chạy đỉnh thì vận hành tốn kém, nhưng rất linh quy mô lớn thì quá tốn kém, cho nên các nhà hoạt trong việc đáp ứng phụ tải giờ cao điểm và máy phát điện phải tuân sự biến đổi của biểu thay thế cho các nhà máy điện chạy nền bị sự đồ phụ tải. Để làm được điều này, các hệ thống cố. Các nhà máy điện chạy đỉnh truyền thống là điện truyền thống có hai loại nhà máy điện chủ tua-bin khí chạy bằng khí thiên nhiên hoặc dầu, yếu: chạy nền và chạy đỉnh. Các nhà máy điện hoặc các nhà máy thủy điện. Để đáp ứng sự biến BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 25