Mô hình hóa và điều khiển máy phát điện cảm ứng nguồn kéo trong hệ thống tuabin gió

MÔ HÌNH HỆ THỐNG TUA BIN GIÓ DFIG

Giới thiệu

Hệ thống máy phát điện tuabin gió thay đổi (WTGS) được mô tả qua sơ đồ trong Hình 2.1, trong đó cuộn dây stato của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi cuộn dây roto kết nối với bộ chuyển đổi Back-To-Back qua vành góp Bộ chuyển đổi Back-To-Back bao gồm hai bộ chuyển đổi: một cho máy phát điện và một cho lưới điện, với tụ điện DC-link đặt giữa chúng Mục tiêu chính của bộ chuyển đổi phía lưới điện là duy trì sự ổn định cho biến thiên điện áp DC-link.

Hình 2.1 Sơ đồ tuabin gió thay đổi (WTGS) và DFIG

Bằng cách điều khiển bộ chuyển đổi bên máy phát, mô-men cơ, tốc độ của DFIG, cũng như công suất tác dụng và công suất phản kháng tại các cực stato có thể được điều chỉnh Bộ chuyển đổi công suất Back-To-Back cho phép DFIG hoạt động ở chế độ hai chiều, cho phép nó hoạt động dưới đồng bộ hoặc trên đồng bộ, với dãy tốc độ khoảng ±30% tốc độ đồng bộ Trong khi stato DFIG luôn cung cấp công suất tác dụng cho lưới điện, công suất tác dụng từ roto có thể được cấp vào hoặc đi ra tùy thuộc vào điều kiện hoạt động Trong chế độ tốc độ trên đồng bộ, công suất tác dụng từ roto qua bộ chuyển đổi Back-To-Back được truyền đến lưới điện, ngược lại trong chế độ tốc độ dưới đồng bộ.

Hình 2.2 Chiều của dòng năng lượng qua máy phát DFIG ở chế độ dưới đồng bộ hình a), chế độ trên đồng bộ hình b) [1]

Trong bài luận văn này, mô hình của tuabin gió DFIG được phát triển trong môi trường Matlab/Simulink trong chương tiếp theo.

Cấu tạo tua bin gió

Hệ thống máy phát tuabin gió bao gồm các thành phần chính như ba cánh quạt gắn trên một trục, trục roto và vỏ bọc phía sau trục roto Trong vỏ bọc này, có chứa hộp số, máy phát điện và các thành phần khác cần thiết cho hoạt động của tuabin gió.

Hình 2.3: Thành phần Hệ thống máy phát điện tua bin gió

Hệ truyền động của tua bin gió bao gồm ba cánh quạt, trục tốc độ thấp, hộp số và trục tốc độ cao nối với máy phát điện Gió tác động lên các cánh quạt, làm chúng quay và khiến trục tốc độ thấp hoạt động Trục này truyền động năng đến hộp số, nơi tốc độ được biến đổi từ thấp sang cao Cuối cùng, trục tốc độ cao kết nối với roto của máy phát điện, quay với tốc độ cao và chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.

Điện áp đầu ra của máy phát điện thường thấp, vì vậy cần sử dụng máy biến áp để tăng điện áp và kết nối với lưới điện Hệ thống điều khiển đón gió sẽ tác động đến động cơ xoay, giúp tuabin gió vuông góc với hướng gió Để giảm thiểu quá tải cơ học trong trường hợp gió mạnh, gió giật hoặc bão, một phanh cơ khẩn cấp được lắp trên trục tốc độ cao Bên cạnh đó, bộ điều khiển điều chỉnh góc ‘Pitch’ của cánh tuabin nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống trong điều kiện vận tốc gió yếu.

Hệ thống tuabin gió bao gồm các bộ điều khiển có khả năng dừng roto trong các tình huống bất lợi như gió quá mạnh, thiếu gió hoặc mất điện lưới Các thành phần quan trọng khác bao gồm cảm biến chỉ hướng gió, cảm biến tốc độ gió, quạt làm mát và các cảm biến bổ sung Cảm biến hướng gió giúp điều khiển tuabin theo hướng gió nhờ động cơ Yaw, trong khi quạt làm mát giữ cho hộp số, máy phát điện và bộ nghịch lưu hoạt động ở nhiệt độ an toàn Cảm biến đo tốc độ gió theo dõi công suất gió tối đa và bảo vệ hệ thống; khi gió mạnh hoặc gió giật xảy ra, tín hiệu từ cảm biến sẽ kích hoạt bộ điều khiển để dừng tuabin bằng phanh hoặc điều chỉnh góc cánh Ngoài ra, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, tốc độ và biến dòng cũng được sử dụng để kiểm soát và điều khiển dòng điện trong hệ thống tuabin gió.

Cấu hình hệ thống biến đổi năng lượng gió và vùng hoạt động của tua bin gió 13 1 Tua bin gió có tốc độ cố định (WT Loại A)

Nói chung, việc tái tạo năng lượng gió dùng tua bin tốc độ cố định hoặc biến đổi có thể được phân loại thành bốn loại chính sau đây:

2.3.1 Tua bin gió có tốc độ cố định (WT Loại A) Đây là loại tuabin gió sử dụng một máy phát điện cảm ứng lồng sóc không đồng bộ (SCIG) được kết nối lưới thông qua máy biến áp Vì vậy được gọi là “Tua bin gió có tốc độ cố định” (WT loại A), nhược điểm lớn của loại này là tiêu thụ công suất phản kháng vì nó không có bộ điều khiển loại công suất này Bên cạnh đó, loại tuabin này biến các dao động gió thành dao động cơ và chuyển đổi tiếp các dao động này thành dao động năng lượng điện Dao động năng lượng này có thể tác động có hại đến các điểm kết nối trong trường hợp điện lưới không ổn định

2.3.2 Tua bin gió có tốc độ thay đổi có Điện trở roto biến thiên (WT Loại B)

Loại tuabin gió này sử dụng máy phát điện cảm ứng roto dây quấn (WRIG) kết nối trực tiếp với lưới điện Cuộn dây roto được nối tiếp với điện trở có điều khiển, cho phép điều chỉnh tổng điện trở roto Nhờ đó, công suất đầu ra có thể được kiểm soát và sự cố trượt được quản lý Tuy nhiên, do giới hạn kích thước điện trở nối tiếp, phạm vi thay đổi tốc độ thường chỉ khoảng 0-10% so với tốc độ đồng bộ hóa.

2.3.3 Tuabin gió có tốc độ thay đổi, bộ nghịch lưu công suất phạm vi cục bộ (WT Loại C)

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) sử dụng tuabin gió với tốc độ gió thay đổi, trong đó cuộn dây stato được kết nối trực tiếp với lưới điện, còn cuộn dây roto kết nối với bộ biến đổi Back-To-Back qua vòng góp Bộ nghịch lưu công suất điều khiển tần số và tốc độ roto, cho phép DFIG hoạt động trong dãy tốc độ ±30% so với tốc độ đồng bộ hóa Công suất danh định của bộ nghịch lưu thường được định ở mức ±30% công suất định mức, giúp nâng cao hiệu suất và giảm không gian lắp đặt trong hệ thống tuabin gió, đồng thời đáp ứng yêu cầu về bù công suất phản kháng.

2.3.4 Tuabin gió biến đổi có bộ nghịch lưu công suất bằng công suất máy phát (WT Loại D):

Tuabin gió với tốc độ thay đổi sử dụng bộ nghịch lưu nối trực tiếp giữa stato của máy phát và lưới điện Vì vậy, bộ biến đổi được thiết kế với công suất định mức tương ứng với toàn bộ tuabin, được gọi là “bộ nghịch lưu nguyên cỡ”.

Cấu hình này thường sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) cho tuabin gió, không cần hộp số Thay vào đó, máy phát điện nhiều cặp cực được sử dụng để truyền động trực tiếp.

2.3.5 Ưu nhược điểm của các loại tua bin gió

 Nhược điểm hai loại tuabin gió đầu tiền như:

1) Không được hỗ trợ bởi bất kỳ thiết bị điều khiển tốc độ nào

2) Không có thiết bị bù công suất phản kháng

3) Yêu cầu lưới điện luôn cố định và ít sự cố

4) Cấu trúc cơ học phải có khả năng hỗ trợ ứng suất cơ cao do gió giật gió mạnh gây ra, v.v

Vì vậy, bài luận văn này không trình bày chi tiết về hai loại tua bin gió này

 Ưu điểm của hệ thống máy phát điện tuabin gió dựa trên DFIG[2]:

Hệ thống DFIG có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng thông qua việc điều chỉnh điện áp đầu cực roto, cho phép thực hiện điều khiển hệ số công suất hiệu quả DFIG, thường là máy phát điện cảm ứng roto dây quấn, có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp hơn so với PMSG Trong các hệ thống máy phát tuabin gió dựa trên DFIG, bộ chuyển đổi công suất có công suất danh định thường dao động ±30% quanh mức công suất danh định, mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí bộ nghịch lưu, tiết kiệm không gian và khối lượng nhẹ hơn Ngoài ra, hệ thống này cũng giảm thiểu tổn thất chuyển mạch, ít gây nhiễu sóng hài cho lưới điện và cải thiện hiệu suất tổng thể lên tới 5-10% so với bộ nghịch lưu nguyên cỡ khi so sánh với máy phát điện loại C và A, B.

 Nhược điểm của hệ thống máy phát điện tuabin gió DFIG [2]:

- Có vòng góp và hộp số, sinh ra tia lửa điện và cần được bảo dưỡng thường xuyên

- Có sơ đồ bảo vệ, chương trình điều khiển phức tạp

 Ưu điểm của hệ thống máy phát điện tuabin gió dựa trên PMSG[1]:

- PMSG có thể đạt được tốc độ định mức cao nhất

- PMSG có thể tránh dùng hộp số, vì vậy không xảy ra vấn đề về ứng suất cơ học khi gió giật

PMSG không yêu cầu vành góp điện và chổi than, giúp giảm thiểu sự phát sinh tia lửa điện, từ đó giảm thiểu nhu cầu bảo trì bảo dưỡng Do đó, tuabin gió sử dụng PMSG sẽ ổn định hơn so với tuabin gió sử dụng DFIG.

PMSG có khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách hiệu quả Hệ thống điều khiển của nó được thiết kế đơn giản, dễ thực hiện, mang lại sự thuận tiện trong quá trình vận hành.

 Nhược điểm của hệ thống máy phát điện tuabin gió dựa trên PMSG [1]:

Bộ nghịch lưu công suất nguyên cỡ trong hệ thống máy phát điện tuabin gió dựa trên PMSG có công suất định mức tương đương với công suất máy phát, dẫn đến tổn thất lớn và tạo ra các thành phần sóng hài cao, đồng thời gia tăng chi phí.

Máy phát điện đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) thường có thiết kế đa cực với trọng lượng và khối lượng lớn, gây khó khăn trong quá trình thi công Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong PMSG cũng tiềm ẩn nguy cơ bị khử từ ở nhiệt độ cao, dẫn đến việc tăng chi phí sản xuất tuabin gió loại này trên các thị trường hiện tại.

Hiện nay, DFIG được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp năng lượng gió với công suất lớn Bài luận này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu chi tiết phương án điều khiển hệ thống điện gió sử dụng DFIG và mô hình hóa các hệ thống máy phát điện tuabin gió, nhằm làm nổi bật những lợi ích mà công nghệ này mang lại.

2.3.6 Vùng hoạt động của hệ thống tua bin gió

Tuabin gió hoạt động hiệu quả trong một dải tốc độ gió từ tối thiểu đến tối đa, và vùng hoạt động của chúng được thể hiện qua đường cong công suất Đường cong này minh họa ba cấp vận tốc gió cùng với hai chế độ hoạt động, giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của tuabin gió.

Cấp vận tốc gió đóng mạch (cut-in) là tốc độ gió tối thiểu cần thiết để tuabin gió bắt đầu sản xuất công suất tác dụng, thường nằm trong khoảng từ 3,13 đến 4,47 m/s cho hầu hết các loại tuabin.

Cấp vận tốc gió định mức là tốc độ gió tối thiểu mà tại đó tuabin gió sản sinh công suất định mức theo thiết kế Trong khoảng tốc độ giữa mức định mức và tốc độ đóng mạch, tuabin gió hoạt động theo chế độ theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), dẫn đến việc công suất đầu ra sẽ tăng khi tốc độ gió gia tăng.

Cấp vận tốc gió ngắt mạch là mức tốc độ gió rất cao, thường từ 22 đến 45 m/s, khi hầu hết các tuabin gió ngừng phát điện để bảo vệ thiết bị Việc ngắt mạch này nhằm tránh hư hỏng cho các bộ phận cơ khí của tuabin gió trong điều kiện gió mạnh Khi tốc độ gió giảm xuống mức an toàn, các tuabin sẽ tiếp tục hoạt động bình thường.

Hình 2.4 Đường cong công suất lý tưởng của tua bin gió

Mô hình DFIG

2.4.1 Mô hình DFIG biểu diễn trong hệ quy chiếu ABC

Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép trong hệ quy chiếu được nghiên cứu với máy phát điện cảm ứng roto dây quấn, có hai cực đối xứng và cuộn dây ba pha Hình 2.6 minh họa mặt cắt ngang của máy, trong đó ảnh hưởng của các rãnh đã được bỏ qua.

Hình 2.6 Mặt cắt ngang máy phát điện cảm ứng nguồn kép

Trong hình 2.6, các cuộn dây stato được bố trí lệch nhau 120 độ điện so với các cuộn dây khác, và cuộn dây pha roto cũng được dịch chuyển 120 độ điện Góc giữa trục từ tính của cuộn dây pha stato, A, và cuộn dây pha roto, a, được ký hiệu là σ Tốc độ của roto được biểu diễn là r d dt và hướng của roto được thể hiện trong Hình 2.4, theo chiều ngược kim đồng hồ Các giả định cần thiết cho việc phát triển các mô hình ABC đã được áp dụng.

Các cuộn dây pha stato và roto của DFIG được giả định có sự phân phối đối xứng, tức là các điện trở, điện cảm thất thoát và từ hóa của cả ba pha đều tương đồng.

Dòng từ hóa và từ trường phân bố theo dạng sin trên bề mặt khe từ, dẫn đến việc không xuất hiện thành phần sóng hài Hiện tượng móc vòng từ thông giữa stato và roto chỉ xảy ra với sóng hài cơ bản.

Khe hở không khí giữa cuộn dây stato và roto là đồng nhất, trong khi điện cảm tương hỗ giữa chúng không đổi Tuy nhiên, điện cảm tương hỗ giữa các cuộn dây stato và roto sẽ thay đổi theo vị trí góc của roto.

• Không xét đến hiện tượng bão hòa từ

Trong phân tích tổn hao năng lượng, chúng ta chỉ xem xét các tổn hao điện năng trên điện trở pha stato và roto, trong khi bỏ qua các tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ.

• Điện áp đầu cực của pha A, vA, có thể được thể hiện dựa trên định luật Faraday như sau [13]:

( AA A AB B AC C Aa a Ab b Ac c

A L i L i L i L i L i L i dt i d r v        (2.31) Đối với pha B và C, biểu thức tương tự được viết như sau:

( AB A BB B BC C Ba a Bb b Bc c

( AC A BC B CC C Ca a Cb b Cc c

C L i L i L i L i L i L i dt i d r v        (2.33) Đối với điều kiện đối xứng, các điện trở stato có thể được viết như sau: r A =r B =r C =r s (2.34) trong đó, r s là điện trở của cuộn dây stato

Các cuộn dây pha a, b và c trên roto có thể được mô tả bằng các biểu thức tương tự, như sau: - Đối với cuộn dây a: \[ d r v_a = L_{Aa} i_A + L_{Ba} i_B + L_{Ca} i_C + L_{aa} i_a + L_{ab} i_b + L_{ac} i_c \] - Đối với cuộn dây b: \[ d r v_b = L_{Ab} i_A + L_{Bb} i_B + L_{Cb} i_C + L_{ab} i_a + L_{bb} i_b + L_{bc} i_c \] Các biểu thức này thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong các cuộn dây pha.

( Ac A Bc B Cc C aa a bc b cc c c c c L i L i L i L i L i L i dt i d r v        (2.37)

Một lần nữa, các giá trị điện trở roto có thể được thể hiện như sau: r a =r b =r c =r r (2.38) trong đó, r r là điện trở của cuộn dây roto

Các điện cảm L AA, L BB và L CC trong các mô hình hình học đều giống nhau, và đường từ thông cho ba cuộn dây pha A, B và C cũng như nhau Hơn nữa, các điện cảm này không phụ thuộc vào vị trí của roto, σ Do đó, L AA, L BB và L CC có thể được biểu diễn đồng nhất.

L AA =L BB =L CC =L ss (2.39) trong đó, L ss là điện cảm của cuộn dây pha stato

Tương tự, từ hình 2.6 cho thấy các cuộn cảm L AB, L BC và L AC có cùng độ lớn và độc lập về vị trí của roto, do đó chúng có thể được thể hiện theo cách đơn giản hóa.

L AB =L BC =L AC =L sm (2.40) trong đó, L sm là điện cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây stato bất kỳ

Các hệ số điện cảm roto, bao gồm L aa, L bb, L cc, L ab, L bc và L ac, đều độc lập với vị trí của roto, σ.

L ab =L bc =L ac =L rm (2.42) trong đó, L rr là tự cảm của cuộn dây roto và L rm là điện cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây roto bất kỳ

Tất cả các hệ số điện cảm phụ thuộc vào vị trí góc của cuộn dây pha roto so với cuộn dây pha stato Từ mô hình hình học trong hình 2.6, có thể thấy rằng các hệ số này tương ứng với các vị trí góc roto, σ, có sự khác biệt về pha Các biểu thức cho điện cảm được diễn đạt như sau:

L Aa L Bb L Cc L srm cos() (2.43)

L Ab L Bc L Ca L srm cos( 2/3) (2.44)

L (2.45) là điện cảm tương hỗ cực đại giữa các cuộn dây stato và cuộn dây roto, ký hiệu là L srm Góc giữa trục a trên roto và trục A trên stato được biểu diễn bằng công thức:  = 0 + ∫₀^t ω r (t) dt.

Từ phương trình (2.31), có thể nhận thấy rằng liên kết từ thông biến thiên bao gồm sáu thành phần, bao gồm một liên kết từ thông do dòng điện stato trong cuộn dây stato tạo ra, hai liên kết từ thông tương hỗ giữa hai stato khác dòng, và ba liên kết từ thông tương hỗ từ stato đến roto, tương ứng với dòng điện của roto.

Bằng cách thay thế các biểu thức về điện trở và điện cảm bằng các biểu thức liên quan đến điện áp stato và roto, mô hình máy phát cảm ứng roto dây quấn trong hệ quy chiếu ABC có thể được diễn đạt một cách rõ ràng.

Xin lỗi, nhưng nội dung bạn cung cấp không đủ rõ ràng để tôi có thể viết lại thành một đoạn văn có nghĩa Nếu bạn có một bài viết khác hoặc thông tin cụ thể hơn, vui lòng chia sẻ để tôi có thể giúp bạn.

Cos σ π/ L i Cos σ L Cos L σ Cos π/ L σ Cos π/ L σ Cos

Bộ chuyển đổi Back To Back (VSC) hai cấp

Các bộ chuyển đổi PWM thường được sử dụng trong các bộ truyền động AC để tạo ra điện áp đầu ra AC dạng sin với khả năng điều khiển tần số và biên độ Trong hệ thống máy phát tuabin gió dựa trên DFIG, việc vận hành DFIG cần phải được thực hiện trong chế độ tốc độ dưới đồng bộ hoặc trên đồng bộ, tùy thuộc vào nhiều mức tốc độ gió khác nhau.

Vì vậy, cấu hình bộ chuyển đổi công suất VSC trở nên cần thiết do khả năng vận hành theo hai hướng

Bộ chuyển đổi Back-To-Back bao gồm hai phần chuyển đổi: một bên máy phát và một bên lưới điện, với tụ điện DC-link nằm giữa Phần chuyển đổi bên lưới điện giữ điện áp DC-link ổn định, trong khi phần chuyển đổi phía máy phát điều khiển mô-men cơ, tốc độ của DFIG và công suất tác dụng cũng như phản kháng Để thực hiện điều này, cần nghiên cứu mô hình bộ chuyển đổi Back-To-Back Trong mô hình này, phần chuyển đổi bên lưới điện hoạt động như bộ chỉnh lưu PWM, được phát triển trong khung tham chiếu ABC phẳng Mô hình ABC sau đó được chuyển đổi sang khung tham chiếu đồng bộ DQO để đơn giản hóa thiết kế bộ điều khiển.

2.5.1 Mô hình bộ chuyển đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) hai cấp được biểu diễn trong hệ quy chiếu ABC

Mạch nguồn chính của bộ chuyển đổi PWM ba pha, như được thể hiện trong Hình 2.10, bao gồm 6 IGBT, 6 đi ốt bảo vệ, 6 cuộn cảm và điện trở đầu vào AC ba pha.

1 tụ điện đầu ra DC

Mạch động lực bộ nghịch lưu PWM hai cấp bao gồm các nguồn áp ba pha e a (t), e b (t), và e c (t) như một nút cấp điện trong hệ thống điện Các thành phần chính bao gồm điện trở phía AC, tụ điện DC-link (C), điện trở tải (R L), cùng với dòng điện đầu vào của bộ chỉnh lưu PWM ba pha (i ag, i bg, i cg) Ngoài ra, còn có dòng điện DC-link (i dc), dòng điện tải (I L), và điện áp DC-link (V DC).

Mô hình và mạch điện của bộ chỉnh lưu PWM sẽ được phân tích trong phần tiếp theo Đầu tiên, S k (k=a,b,c) đại diện cho hàm chuyển mạch của mỗi pha k Theo nguyên tắc, hai cổng IGBT trong cùng một nhánh không được kích hoạt đồng thời, từ đó chúng ta có thể đưa ra các định nghĩa cần thiết.

Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch điện trong Hình 2.8 cho phép chúng ta xác định các giá trị tức thời của dòng điện, và các giá trị này được trình bày như sau: s.

 off is IGBT upper the on is IGBT upper upper the

(2.140) Ở đây v (a0) , v (b0) và v (c0) , là điện áp từ bên AC của bộ chỉnh lưu PWM đến điểm 0, và có thể thu được điện áp bằng phương trình sau:

(2.141) trong đó, v (N,0) , là điện áp từ điểm Nđến điểm 0 Ở đây, v (a,N), v (b,N) và v (C,N) , là điện áp từ phía AC của bộ chỉnh lưu PWM đến điểm N

Với hệ thống ba pha cân bằng, chúng ta có thể viết:

(2.142) Thay từ phương trình (2.141) vào (2.142), các phương trình sau đây có thể được suy ra:

Khi IGBT phía trên mở và IGBT phía dưới tắt, ta có S a = 1 và v(a,n) = v dc Ngược lại, khi IGBT phía trên tắt và IGBT phía dưới mở, ta có S a = 0 và v(a,N) = 0 Dựa vào những đặc tính này, chúng ta có thể xác định các trạng thái của hệ thống.

V ( a,N) =v dc S a Ở đây, v (a,N), v (b,N) và v (c,N) và v (N,0) có thể được viết lại như sau [15]:

) 0 , ( c cg g c cg g b bg g b bg g a ag g a ag g v i R dt e

Thay thế phương trình (2,141) và (2,144) vào phương trình (2,140), các phương trình có thể tập hợp thành:

Giả sử rằng điện trở công suất của các van IGBT trong hệ thống ba pha là cân bằng và có thể bỏ qua, mối quan hệ công suất giữa phía AC và DC được xác định như sau:

Bằng cách kết hợp phương trình (2.144) và (2.146), chúng ta có thể viết:

Bằng cách áp dụng định luật Kirchhoff cho cực dương của tụ điện DC-link, chúng ta có thể dễ dàng đạt được phương trình sau:

Phương trình (2.148) cũng có thể được biểu diễn bằng một phương trình và được cho

 c b a k k c dc cg g c cg g c b a k k b dc bg g b bg g c b a k k a dc ag g a ag g

Với hệ thống ba pha cân bằng, chúng ta có thể viết:

Phương trình (2.145) kết hợp với các phương trình (2.149) đến (2.151) tạo nên mô hình bộ chỉnh lưu PWM ba pha trong hệ quy chiếu ABC, được diễn đạt lại như sau [6]:

2.5.2 Mô hình bộ chuyển đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) hai cấp được biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ hóa DQ

Mô hình bộ chuyển đổi nguồn điện áp PWM VSC trong hệ quy chiếu ABC mặc dù đơn giản nhưng có sự thay đổi theo thời gian của các thành phần, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển Để khắc phục vấn đề này, cần chuyển đổi sang mô hình DQ quay ở tốc độ đồng bộ, giúp biến đổi các đầu vào điện áp ba pha và dòng điện thành giá trị DC Bằng cách xem xét ma trận chuyển đổi stato trong mô hình DFIG ở hệ quy chiếu DQO-dqo, chúng ta có thể suy ra ma trận chuyển đổi cho bộ chỉnh lưu PWM nhờ vào tính tương đồng của chúng.

L dc cg c bg b ag a dc

L kg k dc c b a j j k dc k kg g kg g i e i i dt S

Trong phương trình (2.153), θ là góc giữa hệ quy chiếu cố định và đồng bộ, tương ứng với tốc độ đồng bộ của điện áp đầu vào ba pha hoặc điện áp lưới điện Bằng cách áp dụng các ma trận biến đổi từ phương trình (2.153) vào phương trình (2.152), do hệ thống ba pha cân bằng, các thành phần thứ tự không được loại bỏ Do đó, mô hình bộ chỉnh lưu PWM được biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ có thể được suy luận và trình bày như sau [7].

Trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ, hàm chuyển đổi được thể hiện rõ ràng, trong khi dòng điện và điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu PWM cũng được biểu diễn theo hệ quy chiếu này.

Mô hình bộ chỉnh lưu PWM ba pha được biểu diễn trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ, với các đại lượng liên quan Do đó, bộ điều khiển phía trước sẽ được thiết kế nhằm điều khiển tách bộ chỉnh lưu PWM, và chi tiết về thiết kế này sẽ được trình bày trong Chương 3.

2.5.3 Kết quả mô phỏng cho Bộ chỉnh lưu nguồn điện áp ba pha hai cấp

Mô hình bộ chỉnh lưu PWM ba pha được xây dựng trong môi trường Matlab/Simulink và được trình bày trong hình 2.11

 q q qg g dg g gs qg g d d dg g qg g gs dg g

 2 3 d dc d v s v  v q  v dc s q s d , s q q d qg dg i e và e i , , qg g gs L i

Hình 2.11 Mô hình bộ nghịch lưu PWM ba pha hai cấp trong môi trường

Trong quá trình mô phỏng, điện áp RMS của hai pha đầu vào là 380V, với tụ điện có dung lượng 5F và điện trở tải là 100 Ohms, cùng chỉ số điều biến là 0,5 Kết quả mô phỏng cho điện áp DC-link đầu ra được thể hiện trong Hình 2.12.

Hình 2.12 Điện áp DC-link trong bộ chỉnh lưu PWM hai cấp

Theo Hình 2.12, gợn sóng ổn định của điện áp DC-link đạt 0.147%, trong khi giá trị trung bình của điện áp này là 1090 V, gần gấp đôi biên độ điện áp đầu vào Điều này cho thấy bộ chỉnh lưu PWM ba pha hoạt động như một bộ nghịch lưu boost.

(2.155) trong đó, m là chỉ số điều biến và là giá trị RMSF cho điện áp hai pha đầu vào m t v dc 2V a ( )

ĐIỀU KHIỂN DFIG TRONG HỆ THỐNG TUABIN GIÓ TỐC ĐỘ

Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới điện, điều khiển ổn định điện áp DC-link 54 3.2 Điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát, điều khiển độc lập công suất P,Q

Mục tiêu của điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới là duy trì điện áp DC-link ổn định bất chấp sự thay đổi của điện áp lưới, nhằm đạt được hệ số công suất đồng nhất cho WTGS Để cải thiện hiệu suất điều khiển, phương pháp hồi tiếp về phía trước được áp dụng để phân tách thành phần trục D và Q cho bộ chuyển đổi Sơ đồ điều khiển vector, với hệ quy chiếu theo vị trí vector điện áp lưới, cho phép điều khiển độc lập dòng công suất tác dụng và phản kháng giữa lưới và bộ chuyển đổi Như đã nêu trong Chương 2, bộ chuyển đổi phía lưới hoạt động tương tự như một bộ chỉnh lưu PWM, do đó các mô hình chỉnh lưu PWM từ chương trước có thể được áp dụng Hình 3.1 minh họa sơ đồ mạch bộ chuyển đổi PWM phía lưới với các điện áp lưới e a, e b và e c.

Để đạt được hệ số công suất đồng nhất với WTGS từ phía lưới điện, cần nghiên cứu tính chất các dòng công suất Công suất tác dụng và phản kháng được suy diễn tương tự như ở máy phát điện cảm ứng nguồn kép, được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay đồng bộ DQO-dqo Công suất tác dụng và phản kháng của bộ chuyển đổi phía lưới được trình bày trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ.

Trong hệ quy chiếu đồng bộ, các trục D và Q được sắp xếp như trong Hình 3.2, với trục Q của điện áp lưới e_q bằng không, trong khi trục D của điện áp lưới e_d là hằng số.

Hình 3.2 minh họa sơ đồ véc tơ của hệ quy chiếu đồng bộ DQ cho bộ chuyển đổi phía lưới điện Trong hình, θ đại diện cho góc giữa trục α của hệ quy chiếu cố định và trục D của hệ quy chiếu đồng bộ hóa, và góc này có thể được tính toán theo công thức cụ thể.

(3.4) trong đó, và , là điện áp phía lưới điện trong hệ quy chiếu cố định trong khi là góc ban đầu

Dựa trên các phân tích và phương trình (3.1) và (3.2), hệ số công suất tác dụng và phản kháng của bộ chuyển đổi phía lưới điện trong hệ quy chiếu sẽ tỷ lệ với dòng điện tương ứng Mối quan hệ này được thể hiện như sau [3]:

Để đạt được hệ số công suất đồng nhất cho hệ thống điện gió (WTGS) từ lưới điện, công suất phản kháng cần phải bằng 0, dẫn đến giá trị quy chiếu của dòng điện trục Q cũng bằng 0 Do đó, việc điều khiển dòng điện trục Q và trục D cho phép chúng ta điều chỉnh dòng công suất tác dụng và phản kháng giữa lưới điện và bộ chuyển đổi của hệ thống.

Theo Hình 3.1, nếu bỏ qua sóng hài do chuyển mạch và các tổn thất trong điện trở AC cũng như IGBT, công suất đầu vào sẽ tương đương với công suất đầu ra, được thể hiện qua phương trình sau [16].

(3.7) trong đó, v dc , là giá trị tức thời của điện áp DC-link, được duy trì không đổi bằng hệ thống điều khiển

Điện áp DC-link có thể được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát dòng điện trục d, theo phương trình (3.7) Vấn đề quan trọng cần xem xét là cách thức kiểm soát hiệu quả để đạt được mục tiêu này.

Để điều khiển điện áp và công suất của tụ DC-link cũng như hệ số công suất, ta sử dụng dòng điện trục D và Q Mô hình bộ chuyển đổi bên điện lưới được viết lại theo khung tham chiếu đồng bộ DQ như sau:

Trong hệ quy chiếu đồng bộ DQ, hàm chuyển mạch được biểu diễn với các tham số i dg, i qg, e d và e q, tương ứng với dòng điện đầu vào và điện áp lưới điện.

Từ phương trình (3.8), có thể nhận thấy rằng phương trình trục D và Q bao gồm hai thành phần chính Vì vậy, chúng tôi đề xuất tách rời sơ đồ điều khiển, với các tín hiệu điều khiển tương ứng được quy định rõ ràng.

Các điện trở bên AC, R g ’s, được bỏ qua trong phương trình (3.9) Khi thay thế phương trình này vào phương trình (3.8), có thể điều khiển độc lập các dòng công suất, và phương trình trạng thái điều khiển độc lập được thiết lập như sau:

(3.10) trong đó, và được xác định như sau:

 q q qg g dg g gs qg g d d dg g qg g gs dg g

 2 3 d dc d v s v  v q  v dc s q s d , và s q qg g gs L i

Giá trị tham chiếu của dòng điện trục Q được xác định là 0 Chênh lệch giữa giá trị tham chiếu điện áp DC-link, được đo qua thiết bị điều khiển PI, sẽ trở thành giá trị tham chiếu cho dòng điện trục D.

Mô hình bộ chuyển đổi bên lưới điện được tách rời, cho phép điều khiển dòng điện trục D và trục Q một cách độc lập Dòng điện trục D được sử dụng để điều khiển điện áp DC-link, trong khi dòng điện trục Q đảm nhiệm việc điều khiển công suất phản kháng Điều này giúp đảm bảo rằng cả điện áp DC-link và công suất phản kháng của bộ chuyển đổi đều được quản lý hiệu quả.

 Suy diễn tín hiệu điều biến

Tín hiệu điều khiển v_d và v_q được suy diễn, do đó, mối quan hệ giữa chúng và tín hiệu điều biến của bộ chuyển đổi bên lưới điện sẽ được thảo luận và phân tích cụ thể Qua các tín hiệu điều khiển này, ta có thể thu được tín hiệu điều biến cho bộ chuyển đổi bên lưới điện.

Với pha, a, Hình 3.3 có chỉ ra biểu đồ pha của bộ chuyển đổi bên lưới điện được vẽ dựa trên phương trình sau (3.13)

 dt i i k i i k v dt i i k i i k v qg qg i qg qg p q dg dg i dg dg p d

 k v v k v v dt i dg * p dc * dc i dc * dc v d

Hình 3.3 Biểu đồ pha của bộ chuyển đổi bên lưới điện

Theo dõi, điều khiển bám điểm công suất cực đại

Khi vận tốc gió không đạt giá trị định mức, công suất đầu ra của DFIG cũng không đạt yêu cầu Do đó, nhiệm vụ điều khiển chính là tối ưu hóa công suất gió dưới định mức Để bám sát điểm công suất cực đại, mô-men của DFIG cần được điều chỉnh, giúp tốc độ roto/tuabin thay đổi phù hợp với vận tốc gió, từ đó tạo ra tỷ lệ vận tốc tối ưu Phương pháp này cho phép đạt được hệ số công suất tối đa và công suất cực đại đầu ra Thiết bị điều khiển chế độ dòng điện vào MPPT sẽ dựa vào công suất gió thu được làm giá trị tham chiếu Mối quan hệ giữa cơ năng đầu vào và vận tốc gió qua mặt phẳng cánh tuabin gió gắn với roto máy phát được thể hiện qua phương trình (3.41), với hệ số C p trong mô hình khí động lực học tuabin gió có thể thu được bằng phương pháp “tra bảng”, như minh họa trong Hình 3.12.

(3.41) Ở đây, C P hệ số trong mô hình khí động học tuabin gió có được thông qua một phương pháp "tra cứu" bảng, và hình ảnh được thể hiện trong hình 3.12

Bằng cách duy trì tỷ lệ tốc độ gió theo giá trị tối ưu, điểm công suất cần bám có thể được tối đa và được tính như sau:

Trong đó, K là hằng số và bằng Việc thu được giá trị công suất tối đa,

P max sẽ được xác định là giá trị tham chiếu cho công suất tác dụng, nhằm điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát Điều này cho phép bám sát điểm công suất cực đại thông qua việc điều chỉnh dòng điện roto trục y.

Điều khiển góc cánh (Pitch Angle Control)

Trong những năm gần đây, máy phát điện tuabin gió với bộ điều khiển góc cánh đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các lắp đặt hàng năm Khi tốc độ gió thấp hơn mức định mức, góc cánh được giữ ở giá trị 0 để tối ưu hóa hệ số công suất Trong điều kiện gió mạnh, bộ điều khiển điều chỉnh góc cánh trong giới hạn cho phép nhằm đạt công suất đầu ra tối đa cho máy phát Nhờ đó, tuabin gió cung cấp nguồn điện bổ sung một cách hiệu quả.

Toc do gio dau canh da

He so toc do toi uu

Bộ điều khiển của tua bin sẽ điều chỉnh góc cánh để ngăn cánh đón gió trong những điều kiện gió giật mạnh, bão, hoặc khi vận tốc gió không đạt ngưỡng hoạt động, nhằm đảm bảo máy phát ngừng hoạt động an toàn.

Dựa trên các công trình nghiên cứu trước, có thể thu được góc Pitch tham chiếu, β ref , bằng các giá trị đầu vào khác, được tóm tắt nhưu sau:

1) Tốc độ gió: Lý tưởng nhất là thu góc cánh tham chiếu β ref , từ đường cong góc cánh với vận tốc gió Cách điều khiển này sẽ rất đơn giản nếu vận tốc gió được đo trực tiếp

2) Tốc độ roto máy phát Chênh lệch giữa vận tốc roto được điều khiển và giá trị tham chiếu sẽ được đưa qua thiết bị điều khiển PI, sau đó, sẽ sinh ra giá trị tham chiếu của góc Pitch, β ref

3) Công suất máy phát điện Chênh lệch giữa công suất máy phát điện và công suất định mức sẽ được chuyển qua một thiết bị điều khiển PI, mà đầu ra của nó sẽ cho ra giá trị tham chiếu của góc cánh, β ref

Trong mục này, thông số đầu vào là công suất máy phát điện, và thiết bị điều khiển góc được trình bày trong Hình 3.13

Điều chỉnh góc cánh tuabin là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát công suất trong điều kiện gió lớn hoặc nhỏ Để thực hiện điều này, cần sử dụng động cơ bước, động cơ servo hoặc hệ thống thủy lực Trong quá trình vận hành bình thường, góc cánh tuabin nên được điều chỉnh với tốc độ từ 5-10 độ mỗi giây, với tỷ lệ điều chỉnh cụ thể là 8 độ mỗi giây.

3.5 Điều khiển DFIG trong hệ thống tua bin gió Để hiểu, tính được hiệu suất của các phương án điều khiển được trình bày trên đây, cần phát triển, điều khiển và mô phỏng hệ thống máy phát điện tuabin gió dùng DFIG trong môi trường Matlab/Simulink và mô phỏng với nhiều điều kiện vận tốc gió khác nhau Ở đây, tốc độ gió danh định là 12 m/s Trong điều kiện tốc độ gió thấp dưới giá trị danh định, mục tiêu Bám điểm công suất cực đại có thể đạt được bằng cách điều khiển bộ chuyển đổi phía máy phát Ở điều kiện tốc độ gió lớn hơn vận tốc danh định, góc cánh được điều khiển để cấp giá trị thích hợp cho hệ số công suất, do đó công suất đầu ra của tuabin gió được duy trì ở mức xấp xỉ giá trị định mức Mục tiêu của chương trình điều khiển vector cho bộ chuyển đổi PWM phía lưới điện để giữ điện áp DC-link liên tục, ổn định trong điều kiện tốc độ gió khác nhau

Các mô hình và phương pháp điều khiển được nghiên cứu sử dụng trong mô phỏng này, được đưa ra trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Các mô hình và giải thuật điều khiển trong WTG

DFIG Mô hình thứ tự thứ tư

Hệ truyền động Mô hình một khối Điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới điện Điều khiển định hướng từ thông stato

MPPT Điều khiển chế độ dòng điện

Bảng 3.3 Bảng thông số hệ thống máy phát điện tuabin gió

Thông số Giá trị Các đơn vị

Bán kính roto tuabin gió 91,2 m

Số cực 6, công suất định mức 1,5 MVA và điện áp định mức 575 V là những thông số quan trọng của máy Điện trở stato là 0,023 pu, trong khi điện trở roto là 0,016 pu Điện cảm stato đạt 0,18 DH, còn điện cảm roto là 0,16 DH Cuối cùng, điện cảm từ hóa là 2,9 DH.

Sơ đồ khối chức năng của chương trình mô phỏng hệ thống máy phát điện tuabin gió cảm ứng nguồn kép 1,5 MW (WTGS) trong môi trường Matlab/Simulink được thể hiện trong hình 3.14, với Stator kết nối trực tiếp với lưới điện và mạch roto nối với bộ chuyển đổi AC-DC-AC qua bộ đệm Choke và máy biến thế Bộ Choke có vai trò bảo vệ bộ chỉnh lưu khỏi cường độ dòng điện lớn và các biến động đột ngột của điện áp lưới, đồng thời lọc sóng hài từ các tải phi tuyến như động cơ và thiết bị điện tử Nó cũng giúp làm bằng phẳng biên độ đầu ra, cải thiện hệ số công suất và giảm thiểu hiện tượng can thiệp điện từ (EMI) Giá trị bộ Choke được tính toán dựa trên dòng điện định mức của roto và bộ chuyển đổi, với trở kháng X_L trong khoảng 4 đến 5%*(V/I) để đạt hiệu quả lọc sóng hài tốt nhất, sử dụng công thức L = X_L / (2πfL) để xác định giá trị L.

DFIG có đặc trưng là roto chỉ chịu ứng suất với công suất trượt, thường chiếm khoảng 20-30% tổng công suất của DFIG Do đó, công suất của máy biến áp và bộ chuyển đổi được tính toán dựa trên tỷ lệ này Điện áp định mức của roto DFIG thấp hơn nhiều so với điện áp lưới, dẫn đến việc máy biến áp có điện áp phía roto bằng với điện áp roto và nhỏ hơn nhiều so với phía bộ chuyển đổi Mục đích của thiết kế này là để triệt tiêu dòng rò do sóng hài và dòng thứ tự không bảo vệ, bảo vệ bộ nghịch lưu và roto trong trường hợp sự cố Vì vậy, máy biến thế trong hệ thống này được chọn theo cấu hình Y–Y 12.

Hình 3.14 Mô hình hệ thống tuabin gió DFIG 1,5 MW

Các kết quả mô phỏng cho WTGS:

Để khảo sát hoạt động của DFIG theo các phương pháp điều khiển, chúng ta cần mô phỏng tốc độ gió thay đổi theo nấc, như thể hiện trong hình 3.16, và thu được kết quả như đã trình bày trong bảng 3.2.

Hình 3.16 Quan hệ công suất với sự thay đổi tốc độ gió

Hình 3.17 công suất tác dụng

Hình 3.18 Công suất phản kháng

Biểu đồ trong Hình 3.16 cho thấy mối quan hệ giữa đường cong tốc độ gió và công suất, với vận tốc gió bắt đầu từ 2 m/s và tăng lên 15 m/s Hình 3.17 thể hiện công suất tác dụng theo giá trị tham chiếu, biến đổi theo tốc độ gió để đạt giá trị cực đại Khi công suất tác dụng đạt giá trị định mức, nó sẽ ngừng tăng và duy trì ở mức đó nhờ tín hiệu điều khiển từ hệ thống Hình 3.18 chỉ ra rằng công suất phản kháng luôn duy trì quanh giá trị 0, bất kể vận tốc gió có thay đổi.

Khi vận tốc gió đạt 12 m/s hoặc 8 m/s, góc cánh của tuabin gió được duy trì ở giá trị 0, giúp thu được công suất gió cực đại Tuy nhiên, khi vận tốc gió tăng lên 15 m/s, góc cánh sẽ tăng lên để giảm công suất gió xuống mức định mức Điều này cho thấy tầm quan trọng của thiết bị điều khiển góc cánh trong việc điều chỉnh bước góc khi vận tốc gió vượt quá 12 m/s.

Hình 3.20 minh họa dòng điện stato dọc trục (p.u) trong hệ quy chiếu từ thông stato Đường dòng điện này cho thấy sự tương đồng giữa công suất tác dụng và dòng điện dọc trục stato, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa chúng.

D on g d ien s ta to do c t ruc ( pu) được điều khiển trực tiếp bởi dòng điện dọc trục stato theo phương trình (3.37) Ở đây, theo Hình 3.18 và Hình 3.21

Hình 3.21 Dòng điện ngang trục stato (pu) (hệ quy chiếu từ thông stato)

Dựa vào hình 3.21, có thể kết luận rằng công suất phản kháng có thể được điều chỉnh trực tiếp thông qua dòng điện stato Ngoài ra, từ phương trình (3.38), chúng ta cũng rút ra được kết luận tương tự.

Hình 3.22 Dòng điện roto dọc trục (pu) (hệ quy chiếu từ thông stato)

Hình 3.23 Dòng điện roto ngang trục (pu) (khung tham chiếu từ thông stato)

MÔ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU BA TRONG HỆ THỐNG TUA BIN GIÓ DFIG